أنظمة استشعار الألياف الضوئية

نظام استشعار درجة حرارة الألياف الضوئية الفلورية

يتكون مستشعر درجة حرارة الألياف الضوئية الفلورية من ألياف بصرية متعددة الأوضاع وجسم فلورسنت (فيلم) مثبتة فوقه. يعتمد مبدأ عملها على طاقة الفلورسنت المنبعثة من مادة الفلورسنت تحت طول موجي محدد (طيف الإثارة) الإثارة الخفيفة. بعد إلغاء الإثارة, يتأثر استمرار توهج الفلورسنت بعوامل مثل خصائص مادة الفلورسنت ودرجة الحرارة البيئية. مضان عادة يتحلل أضعافا مضاعفة, وثابت وقت الاضمحلال هو عمر التألق أو وقت الشفق اللاحق (نانوثانية). علاوة على ذلك, يختلف اضمحلال الشفق الفلورسنتي باختلاف درجات الحرارة البيئية. لذلك, يمكن تحديد درجة الحرارة البيئية عن طريق قياس عمر الشفق الفلورسنتي.

يتمتع نظام الاستشعار هذا بمزايا متعددة. أولاً, تكمن التكنولوجيا الأساسية في المواد الفلورية وخوارزميات المحاكاة المقابلة لها. المبدأ الفني وهيكل المنتج بسيطان, و قياس درجة الحرارة الفلورسنت يتم تكلس المواد المستخدمة في 1200 درجة مئوية, والتي لديها عمر طويل للغاية وخصائص عمل مستقرة وموثوقة. إنها مناسبة جدًا للإنتاج الضخم الصناعي واسع النطاق وتستخدم على نطاق واسع في المجال الصناعي. ثانيًا, تتميز مجسات الألياف الضوئية النقية بخصائص السلامة الجوهرية, عزل الجهد العالي, ومقاومة التداخل الكهرومغناطيسي; يعمل النظام بثبات دون انحراف ولا يتطلب المعايرة أو التحقق طوال عمره الافتراضي; اعتماد تصميم وحدات, يمكن ربطها بالشبكات بمرونة وتوسيعها بشكل لا نهائي في أي وقت دون التسبب في إهدار الموارد; مجهزة بمخرجات رقمية وتناظرية, إنه مناسب للتحكم الآلي في الوقت الحقيقي وإدارة البيانات; المسبار ومزيل التشكيل مدمجان ومرنان, سهلة التركيب والصيانة. يستخدم على نطاق واسع في مجالات التطبيق المختلفة. في مجال شبكات الكهرباء, يمكن استخدامه لمراقبة درجة حرارة النقاط الساخنة مثل المفاتيح الكهربائية والمحولات, الكشف عن شذوذات درجة الحرارة في الوقت المناسب, وضمان التشغيل الآمن والمستقر للطاقة; في مجال البحوث المختبرية, فمن الممكن مراقبة التغيرات في درجات حرارة أنظمة التفاعل في التجارب الكيميائية للتأكد من دقة النتائج التجريبية, وفي التجارب البيولوجية, فمن الممكن مراقبة توزيع درجات الحرارة داخل الجسم, مما يساعد الباحثين الطبيين على دراسة الاستقرار الحراري للكائنات الحية; في المجال الطبي, يمكن مراقبة التغيرات في درجة حرارة المرضى أثناء الجراحة لضمان التشغيل السلس, ويمكن استخدامه في مراكز إعادة التأهيل لتقييم حالة تعافي المريض. فضلاً عن ذلك, لها مزايا فريدة في العديد من السيناريوهات الخاصة, مثل قياس درجة الحرارة الداخلية لقطع الدجاج المستخدمة في الصناعات الغذائية للتأكد من نضج الجزء الداخلي وعدم احتراق السطح أثناء عملية الخبز; عند إجراء اقتران دقيق للمكونات الصغيرة في الصناعة الإلكترونية في بيئة الميكروويف لمراقبة درجة الحرارة, لا يمكن لمقاييس الحرارة المزدوجة الحرارية التقليدية القياس بدقة بسبب تأثير الموجات الدقيقة, بينما تتمتع مستشعرات درجة حرارة الألياف الضوئية الفلورية بمزايا واضحة تتمثل في عدم التأثر بالتداخل الكهرومغناطيسي. وقد أظهرت التجارب ذلك في هذا السيناريو, تقرأ موازين الحرارة المصنوعة من الألياف الضوئية بدقة ولا تتأثر بالعوامل الخارجية, بينما تحتوي موازين الحرارة المزدوجة الحرارية على أخطاء كبيرة.

ملحق التطبيق المتعلق بالمجالات المتعددة

بالإضافة إلى مجالات التطبيق المشتركة المذكورة سابقاً, أجهزة استشعار درجة حرارة الألياف الضوئية الفلورسنت لها أيضًا قيمة مهمة في الصناعات الأخرى. في صناعة البتروكيماويات, أماكن مثل المصافي قابلة للاشتعال, متفجر, والبيئات المسببة للتآكل. السلامة الجوهرية والتآكل مقاومة أجهزة استشعار درجة حرارة الألياف الضوئية الفلورسنت تمكنهم من مراقبة درجة حرارة خطوط الأنابيب بشكل فعال, أوعية التفاعل, وغيرها من المعدات, التأكد من أن عملية الإنتاج تتم في ظل ظروف درجة الحرارة المناسبة وضمان سلامة الموظفين والمعدات. في مجال الطيران, يمكن إجراء الكشف عن درجة الحرارة على المكونات الرئيسية مثل المحركات, الأمر الذي يتطلب أن تكون أجهزة الاستشعار ذات دقة عالية, مقاومة درجات الحرارة العالية, ومقاومة التداخل الكهرومغناطيسي. يمكن لأجهزة استشعار درجة حرارة الألياف الضوئية الفلورية أن تلبي هذه المتطلبات بدقة وتساعد على تحسين سلامة وموثوقية تشغيل معدات الفضاء الجوي. في مجال الطاقة الجديدة مثل توليد الطاقة الشمسية, يمكن إجراء قياس درجة الحرارة على الألواح الشمسية لتحسين كفاءة تحويل الطاقة من خلال الحصول على بيانات درجة الحرارة. بمجرد أن تكون درجة الحرارة مرتفعة جدًا وتؤثر على كفاءة توليد الطاقة, ويمكن اتخاذ تدابير التكيف في الوقت المناسب. باختصار, إن خصائص مستشعرات درجة حرارة الألياف الضوئية الفلورية تمكنها من فتح سيناريوهات تطبيق جديدة باستمرار في العديد من المجالات مع متطلبات خاصة للكشف عن درجة الحرارة.

نظام استشعار الألياف الضوئية الموزعة

ال الألياف الضوئية الموزعة نظام شبكة الاستشعار هو نظام شبكي يدمج الاستشعار, يتحكم, وغيرها من الوظائف. ويستخدم الألياف الضوئية كوسيلة للاستشعار, والتي يمكنها استشعار الكميات الفيزيائية الخارجية عن طريق تغيير خصائصها مثل الطول الموجي, مرحلة, والشدة. في نفس الوقت, يمكن دمج الألياف الضوئية جيدًا مع أنظمة شبكات استشعار الألياف الضوئية كوسيلة اتصال. يتميز هذا النظام بخصائص مقاومة التداخل الكهرومغناطيسي, موثوقية عالية, والرصد الموزع لمسافات طويلة, ولها قيمة تطبيق واسعة وآفاق السوق.

من الناحية الفنية, تُستخدم التأثيرات البصرية غير الخطية مثل تأثيرات رامان وبريلوين في الألياف الضوئية للكشف عن درجة الحرارة البيئية والضغط الناجم عن الإجهاد. على سبيل المثال, يستخدم نثر رامان لاستشعار درجة الحرارة الموزعة (دتس), والتي يمكنها تحديد درجة الحرارة بدقة في أي موضع على طول الألياف عن طريق قياس الفرق في شدة الضوء المرتد في نطاقات ستوكس ومضادة ستوكس; مبدأ تشتت Brillouin مشابه, حيث يتأثر الطول الموجي للضوء المرتد بدرجة الحرارة الخارجية والمحفزات الصوتية بطريقة يمكن التنبؤ بها. من خلال الجمع بين هذه البيانات ومعرفة خلفية درجة الحرارة في نفس النقطة, يمكن تحديد السلالة التي تعاني منها الألياف بدقة, ويمكن تحليل مناطق الألياف المتأثرة.

إنها تلعب دورًا لا يمكن الاستغناء عنه في العديد من المجالات. من حيث المراقبة الأمنية, إنه جهاز جديد ملفت للنظر للغاية لتقنية استشعار الألياف الضوئية, والتي يمكن أن تحقق مراقبة المحيط والإنذار لمواقع خاصة مثل المطارات, الحدود, قواعد, الموانئ, إلخ; مراقبة سلامة خطوط أنابيب النفط/الغاز وخطوط أنابيب النفط المصافي; يمكنها تحقيق الكشف عن حفر الأنفاق لمواقع خاصة مثل القواعد العسكرية, السجون, البنوك, ومحطات الطاقة النووية, واكتشاف التهديدات المحتملة في الوقت المناسب; قدرة المراقبة الموزعة لمسافات طويلة للكابلات الضوئية في الحكومة, المصرفية, وكالات الاستخبارات, ومواقع أخرى بعيدة عن متناول أجهزة الاستشعار التقليدية. ولها أيضًا تطبيقات في المراقبة الصناعية, مثل مسح درجة حرارة مستودعات الحبوب ومستودعات النفط لفهم توزيع درجة الحرارة بشكل شامل وتحقيق مراقبة أكثر دقة. ويمكن استخدامه أيضًا لمراقبة درجة الحرارة والإجهاد الموزعة لمختلف الهياكل مثل الجسور, السدود, الأنفاق, إلخ.

من حيث المؤشرات الفنية وخصائص التطبيق العملي, وينعكس ذلك بوضوح في نظام الإنذار المبكر لاستشعار الألياف الضوئية الموزعة. تعمل تقنية تحديد المواقع أحادية النواة المصممة بمسار بصري ثنائي النواة على توفير موارد الألياف وتحسين دقة تحديد المواقع مقارنة بتقنية تحديد المواقع ثلاثية النواة الدولية; وينقسم النظام إلى نوعين: نوع السياج والنوع المدفون للتكيف مع سيناريوهات التطبيق المختلفة للأسوار السطحية (مثل الحديد المطاوع, شبكة سلكية, الأسوار, الجدران, إلخ.) وتحت الأرض (مثل المراعي, طبقات الحصى, أرضيات أسمنتية, والتربة العادية); ويتفوق نظام التحذير على الأنظمة الأجنبية المماثلة في التقنيات الرئيسية مثل شدة الضوء, حالة الاستقطاب, زاوية الاستقطاب, تردد الإشارة الضوئية, مرحلة, قفل المرحلة البصرية, خوارزمية التعرف على الشبكة العصبية الفوضوية, وتكنولوجيا الانصهار; إنها تتمتع بمزايا الاستشعار والنقل السلبي للواجهة الأمامية, البناء السهل, وتكلفة منخفضة (باستخدام كابلات الاتصالات الضوئية العادية كأجهزة استشعار); هناك أيضًا طرق مراقبة متعددة متاحة, والتي يمكنها عرض الأشكال الموجية للمجال الزمني في الوقت الفعلي لاضطرابات كابلات الألياف الضوئية, مراقبة أصوات التداخل على طول كابل الألياف الضوئية, حساب عدد أحداث اضطراب كابلات الألياف الضوئية في فترات زمنية أو مسافات مختلفة, تصنيف وتحديد اضطرابات كابلات الألياف الضوئية بدقة على طول الطريق, وعرض الإنذارات على مخططات المعلومات الجغرافية; هناك معلمات ومتطلبات مقابلة للمؤشرات الفنية مثل وقت الاستجابة, استجابة التردد, عمر خدمة الألياف الضوئية, احتمال التنبيه, احتمال إنذار كاذب, مسافة المراقبة, دقة تحديد المواقع, ودرجة حرارة العمل.

تكملة لاتجاهات التطبيق الجديدة لأنظمة الألياف الضوئية الموزعة

مع مزيد من التطور التكنولوجي, ال سيناريوهات تطبيق استشعار الألياف الضوئية الموزعة الأنظمة تتوسع وتتوسع باستمرار. في مجال النقل بالسكك الحديدية في المناطق الحضرية, يمكن مراقبة الحالة الصحية لهياكل أنفاق مترو الأنفاق. من خلال وضع مجسات الألياف الضوئية الموزعة داخل أو حول جدران النفق, يمكن استشعار التغيرات في المعلمات الرئيسية مثل الضغط ودرجة حرارة النفق في الوقت الحقيقي. إذا كان هناك تشوهات هيكلية (ربما بسبب التغيرات الجيولوجية, الزلازل, إلخ.) أو اختلالات في درجات الحرارة (مثل مخاطر الحرائق, إلخ.), يمكن للنظام توفير بيانات ردود الفعل في الوقت المناسب للمشغل لاتخاذ التدابير اللازمة لمنع وقوع حوادث السلامة. في بناء الشبكات الذكية, يمكن لأنظمة استشعار الألياف الضوئية الموزعة المراقبة الديناميكية خطوط نقل الجهد الفائق. فهي لا تعتمد فقط على مراقبة درجة الحرارة التقليدية لضمان التشغيل الآمن للخطوط (حيث أن درجات الحرارة المرتفعة للخطوط قد تزيد من خسائر الخطوط وتجعلها عرضة للأعطال), ولكن أيضًا مراقبة الخواص الميكانيكية للخطوط (مثل التوتر, أَضْنَى, إلخ.) من خلال عكس التغيرات في خصائص الألياف الضوئية الناجمة عن الكميات الفيزيائية من خلال أجهزة استشعار الألياف الضوئية, مما يجعل شبكة الطاقة بأكملها أكثر ذكاءً وموثوقية. فضلاً عن ذلك, هناك تطبيقات محتملة وآفاق تطوير في مجال هندسة المحيطات, مثل مراقبة الكابلات البحرية ومراقبة الصحة الهيكلية لمنصات النفط البحرية, - حماية تنمية واستغلال الموارد البحرية.

نظام استشعار درجة حرارة شبكة الألياف Bragg

تستخدم تقنية استشعار Fiber Bragg شبكات الألياف Bragg كعناصر استشعار لقياس الكميات الفيزيائية من خلال الألياف الضوئية, واستشعار درجة الحرارة هو نوع استشعار مستخدم على نطاق واسع. الألياف براج صريف (FBG) هو عاكس بصري انتقائي للتردد مصنوع باستخدام مبدأ الألياف الضوئية. تحت الإثارة من مصدر الضوء, تصل الإشارة الضوئية إلى الشبكة عبر الألياف وتنعكس مرة أخرى. يمكن تحديد التغير في كمية الاستشعار لـ FBG من خلال شدة الضوء المنعكسة وتوزيع الطول الموجي.

يعتمد مبدأ استشعار درجة حرارة صريف الألياف الضوئية على التغير في الطول الموجي لشبكة Bragg الناجم عن التغيرات في درجات الحرارة. يتم التقاط الطيف المنعكس بواسطة كاميرا CCD, وتتم معالجة إشارة الضوء المنعكسة بواسطة معالج الإشارات لتحقيق قياس درجة الحرارة. من حيث نظام التحكم, إذا تم بناء نظام التحكم في درجة الحرارة بناءً على تقنية استشعار شبكة الألياف Bragg, يتكون بشكل أساسي من أربعة أجزاء: اكتساب الإشارة, معالجة الإشارات, وحدة التحكم, والمحرك. يقوم مستشعر شبكة Bragg بالألياف في عملية الحصول على الإشارة بإرسال الإشارات المجمعة إلى وحدة معالجة الإشارة للمعالجة المسبقة; تعتمد وحدة معالجة الإشارات على درجة الحرارة المجمعة ويتم التحكم فيها بواسطة وحدة تحكم PID تزايدية للتحكم في درجة الحرارة; يمكن لوحدة التحكم أن تعتمد نظامًا مدمجًا, والتي يمكنها التواصل مع الكمبيوتر العلوي, تحقيق مراقبة في الوقت الحقيقي لدرجة الحرارة ومعايير التحكم, واستخدامها لتطوير التطبيقات المتقدمة الأخرى; تتضمن آلية التنفيذ محرك DC, محرك التردد المتغير, محرك السائر, إلخ.

أجهزة استشعار درجة حرارة شبكة الألياف Bragg لها مزايا متعددة. أولاً, فهي تتمتع بحساسية عالية, والذي يرتبط بمبدأ تكنولوجيا الاستشعار الخاص به ويمكنه استشعار التغيرات في درجات الحرارة بدقة; ثانيًا, لا يحتاج إلى مصدر طاقة خارجي ولا يتأثر بالتداخل الكهرومغناطيسي. فضلاً عن ذلك, يمكن أن يقاوم مسباره ميكانيكيًا, الكهرومغناطيسي, والتدخل الكيميائي بشكل جيد, ويمكن قياس الكميات الفيزيائية بشكل موثوق في الظروف البيئية القاسية مثل التنقيب عن النفط والغاز (في كثير من الأحيان مع التداخل الكهرومغناطيسي المعقد وبيئات التآكل الكيميائي المحتملة), الفضاء الجوي (مع مختلف الإشعاعات المعقدة ومصادر التداخل الأخرى في الفضاء والمتطلبات الخاصة لوزن المعدات), التشخيص الطبي (مع العديد من الأجهزة المحيطة في البيئات الطبية, البيئات الكهرومغناطيسية المعقدة والمتطلبات العالية لسلامة معدات الكشف), ومراقبة العمليات الصناعية (تتأثر ببيئات المجال الكهرومغناطيسي والمواد الكيميائية المختلفة في الصناعة); ولها خصائص الاستقرار العالي, - لا يتأثر بشدة الضوء والبقع, فضلا عن المزايا مثل الحجم الصغير, خفيفة الوزن, وقت الاستجابة السريع, مكافحة التدخل الكهرومغناطيسي, ومقاومة قوية للتآكل, مما يجعلها أكثر قدرة على المنافسة من الأنواع الأخرى من أجهزة الاستشعار في مجموعة واسعة من سيناريوهات التطبيق. فضلاً عن ذلك, ال درجة حرارة صريف الألياف براج تجدر الإشارة إلى تكنولوجيا الاستشعار القائمة على الكشف الحساس للمرحلة. هذه هي تقنية استشعار درجة حرارة شبكة الألياف Bragg شائعة الاستخدام, والذي يستخدم مقياس التداخل للتداخل بشكل متماسك مع الضوء المنعكس لـ FBG (الألياف براج صريف) مع الضوء المرجعي, وبالتالي تحسين حساسية واستقرار المستشعر. لقد حقق حساسية عالية جدًا عند مستوى أقل من ميلي كلفن, مما يجعلها مناسبة بشكل خاص للقياس الدقيق للتغيرات الصغيرة في درجات الحرارة, كما هو الحال في التصوير الطبي الحيوي, ميكروفلويديك, وتكنولوجيا النانو, ولها آفاق تطبيق واسعة.

تتضمن تقنية Fiber Bragg Grate إضافة مواد خاصة

في إنتاج وتطبيق أنظمة استشعار درجة حرارة الألياف Bragg, ويشارك في البحث وتطبيق بعض المواد أو الهياكل الخاصة. إنتاج شبكات الألياف الضوئية له متطلبات خاصة, ويجب التحكم بدقة في تركيبة المادة الأساسية للألياف والكسوة من أجل تحقيق الخصائص البصرية المطلوبة مثل تغيرات معامل الانكسار للشبكة بدقة. على سبيل المثال, يمكن للألياف المطعمة بعناصر محددة مثل الجرمانيوم تحسين أداء الشبكات. من حيث تطبيقات الاستشعار, يتم أيضًا تعميق الأبحاث حول مواد الطلاء على سطح شبكات الألياف Bragg باستمرار. يمكن لمواد الطلاء الخاصة أن تعزز مقاومة التآكل لشبكات ألياف Bragg أو تحسين تفاعلها مع المادة المكتشفة. على سبيل المثال, في بعض سيناريوهات تطبيق مراقبة بيئة التآكل, عن طريق طلاء طبقة بوليمر مقاومة للتآكل وموصلة حرارياً, الشبكة نفسها لا تتآكل ويمكن أن تنتقل درجة الحرارة الخارجية بسرعة إلى منطقة الشبكة, مما يجعل القياس أكثر دقة. هناك أيضًا اختيار واستخدام مواد التعبئة والتغليف لأجهزة الاستشعار. لا يقتصر دور مواد التغليف المناسبة على حماية شبكة الألياف Bragg من العمل بشكل طبيعي في البيئات الخارجية المعقدة (مثل الرطوبة العالية, ارتفاع الضغط, إلخ.), ولكن أيضًا تقليل التأثير على التوصيل الحراري أثناء قياس درجة حرارة شبكة الألياف Bragg. على سبيل المثال, المواد المركبة ذات أداء الختم الجيد, معامل التوصيل الحراري المناسب, ويمكن استخدام الصلابة والمتانة الجيدة للتغليف.

نظرة عامة على أنظمة استشعار الألياف الضوئية

نظام استشعار الألياف الضوئية هو نظام استشعار يعتمد على الألياف الضوئية, بما في ذلك أنواع مختلفة مثل نظام استشعار درجة حرارة الألياف الضوئية الفلورية, نظام استشعار الألياف الضوئية الموزعة, نظام استشعار درجة حرارة صريف الألياف البصرية, إلخ. كل نوع له خصائص مختلفة من حيث المبدأ, بناء, أداء, إلخ. للتكيف مع سيناريوهات التطبيق المختلفة.

مبدئيا, وهو استخدام تعديل بعض خصائص الضوء (مثل الطول الموجي, شدة, مرحلة, إلخ.) بواسطة الألياف نفسها أو المواد الموجودة داخل الألياف عندما ينتشر الضوء في الألياف لتعكس معلومات التغيرات البيئية الخارجية, وبذلك يتحقق غرض الاستشعار والقياس. على سبيل المثال, يعتمد استشعار درجة حرارة الألياف الفلورية المذكورة سابقًا على العلاقة بين عمر الشفق الفلورسنتي ودرجة الحرارة; يستخدم استشعار الألياف الضوئية الموزعة ظواهر مثل تشتت رامان وتشتت بريلوين لقياس الكميات الفيزيائية مثل درجة الحرارة أو الإجهاد من خلال الاختلافات في شدة الضوء أو تغيرات الطول الموجي; يعتمد استشعار درجة حرارة شبكة الألياف Bragg على التغيرات الناجمة عن درجة الحرارة في الطول الموجي لشبكة Bragg لاستشعار درجة الحرارة.

هيكليا, على الرغم من وجود اختلافات بين الأنظمة, وهي مبنية بشكل عام حول الألياف الضوئية. الفلورسنت نظام استشعار درجة حرارة الألياف يتكون من وحدة مادة الفلورسنت في الجزء العلوي من الألياف, جزء نقل الألياف, ومزيل تشكيل الإشارة لتحقيق استشعار درجة الحرارة ووظائف أخرى; يتضمن بناء الشبكة بالكامل لنظام استشعار الألياف الضوئية الموزع تخطيط شبكة الألياف الضوئية في العملية, مكونات الوحدة المتصلة بشبكة الألياف الضوئية لوظائف مختلفة (مثل الاستحواذ, يعالج, إلخ.), إلخ. يجب أن يضمن الهيكل القدرة على تحقيق وظائف القياس الموزعة المستمرة لمسافات طويلة; تم بناء نظام استشعار درجة حرارة شبكة الألياف الضوئية حول شبكة الألياف الضوئية, المكونات البصرية ذات الصلة لجمع وتحليل الضوء المنعكس من الشبكة, وهيكل نظام التحكم في استشعار درجة الحرارة بالكامل من خلال وحدات الدوائر الإضافية.

من حيث الأداء, تواجه الأنظمة الثلاثة مقاييس تقييم مختلفة. يركز نظام استشعار درجة حرارة الألياف الضوئية الفلورية على دقة القياس في نطاقات درجات الحرارة المختلفة, استقرار النظام بأكمله (مثل ميزة الاستقرار المهمة المتمثلة في عدم الحاجة إلى المعايرة والتحقق طوال الحياة), والخصائص المختلفة للمسبار (مثل العزل, مقاومة التآكل, أمان, إلخ.); ال استشعار الألياف الضوئية الموزعة يتطلب النظام دقة تحديد المواقع, مسافة المراقبة, استجابة التردد, إلخ. لقياس المسافات الطويلة, بحيث يمكن أن تلعب دورًا في سيناريوهات التطبيق مثل مراقبة السلامة لمسافات طويلة وواسعة النطاق; يركز نظام استشعار درجة حرارة شبكة الألياف Bragg بشكل أساسي على حساسية المستشعر وأدائه المضاد للتداخل (مثل التداخل الكهرومغناطيسي, التدخل البيئي الكيميائي, إلخ.), بالإضافة إلى سهولة استخدام المستشعر في مجالات التطبيقات المستهدفة المختلفة (مثل تأثير الحجم والوزن على التركيب والاستخدام في بيئات خاصة, إلخ.).

تتمتع أنظمة استشعار الألياف الضوئية بمجموعة واسعة من التطبيقات في مجالات مختلفة مثل التصنيع الصناعي, طاقة, تواصل, الأمن والسلامة, الفضاء الجوي, الطب الحيوي, إلخ. بسبب قدرتها الكامنة على مقاومة التداخل الكهرومغناطيسي, جدوى قياس الكميات الفيزيائية المتعددة, والقدرة على التكيف في بيئات مختلفة. على سبيل المثال, في التصنيع الصناعي, مراقبة درجة الحرارة, أَضْنَى, وغيرها من شروط المعدات في بيئات المجال الكهرومغناطيسي المعقدة يمكن تحقيقها باستخدام أنظمة استشعار الألياف الضوئية, وبالتالي ضمان أتمتة عمليات الإنتاج الصناعي واحتياجات الإنذار والصيانة في الوقت المناسب لمراقبة حالة استخدام المعدات; في مجال الطاقة, يمكن تحسين مراقبة وضمان التشغيل الآمن للمنشآت مثل خطوط أنابيب النفط والغاز وخطوط نقل الطاقة من خلال أنظمة استشعار الألياف الضوئية; من حيث الأمن والسلامة, يمكن نشر أنظمة استشعار الألياف الضوئية حول المحيط والمرافق الرئيسية (مثل منشآت الطاقة النووية) لتعزيز قدرات الدفاع والمراقبة.

اتجاهات التطوير التكميلية لأنظمة استشعار الألياف البصرية

مع تطور علم المواد, التكنولوجيا البصرية والمجالات الأخرى ذات الصلة, تتجه أنظمة استشعار الألياف الضوئية نحو حساسية أعلى, دقة أعلى, الشبكات على نطاق أوسع, وقدرة أقوى على التكيف مع البيئات المعقدة. ويجري باستمرار تطوير مواد ألياف بصرية جديدة, والتي لها مزايا مثل انخفاض الخسائر والأداء البصري العالي, تحسين أداء أنظمة استشعار الألياف الضوئية بشكل كبير في جميع الجوانب. على سبيل المثال, إن تطوير ألياف بصرية خاصة يمكّن أجهزة الاستشعار من العمل بدقة وثبات في بيئات قاسية للغاية مثل درجات الحرارة المرتفعة والتآكل القوي. من حيث التكامل متعدد الوظائف, قد لا تقتصر أنظمة استشعار الألياف الضوئية المستقبلية على قياس كمية مادية واحدة (مثل درجة الحرارة أو الإجهاد). يمكن لنظام الاستشعار اكتشاف كميات فيزيائية متعددة في وقت واحد وإجراء تحليل شامل للحصول على المزيد من المعلومات المفيدة. وهذا يتطلب المزيد من التطوير في التقنيات المقابلة مثل البصريات المتكاملة والخوارزميات الذكية. من حيث تطبيقات الشبكات واسعة النطاق, مع تطور تقنيات اتصالات الجيل الجديد مثل 5G وإنترنت الأشياء, أنظمة استشعار الألياف الضوئية, باعتبارها طريقة مراقبة يمكن أن توفر كمية كبيرة من البيانات الأولية ولها مزايا أكثر من أجهزة الاستشعار التقليدية, ستلعب دورًا متزايد الأهمية في بناء شبكات الاستشعار للشبكات واسعة النطاق مثل المصانع الذكية والمدن الذكية في المستقبل.

مقارنة بين أنظمة استشعار الألياف الضوئية المختلفة

 

1、 مقارنة الخصائص المبدأ

نظام استشعار درجة حرارة الألياف الضوئية الفلورية: بمساعدة مواد الفلورسنت, تعتمد الخصائص الضوئية للشفق الفلورسنتي على درجة الحرارة بعد إثارة ضوء معين. سيؤدي التغير في درجة الحرارة البيئية إلى حدوث تغيير في وضع اضمحلال الشفق الفلوري, ويمكن تحقيق قياس درجة الحرارة عن طريق الكشف عن طول عمر الشفق الفلورسنتي. يعتمد هذا المبدأ على تحويل الطاقة وخصائص الإشعاع بين مواد الفلورسنت والضوء, وهو فريد تمامًا. تعمل الألياف الضوئية بشكل أساسي كقنوات لنقل الضوء المثير ونقل الفلورسنت, ولا تعتمد على ظاهرة التشتت البصري أو الانعكاس للألياف نفسها للاستشعار, على عكس النظامين الآخرين. يمكن تعديل حساسية النظام بموجب هذا المبدأ وفقًا لاختيار مادة الفلورسنت المحددة وخوارزمية التحسين, ولكن في المقابل, تعتمد استجابتها للتغيرات في درجات الحرارة بشكل أكبر على الخصائص الكامنة في مادة الفلورسنت, وترتبط الآلية الفيزيائية النظرية ارتباطًا مباشرًا بالتفاعل المجهري بين الضوء والمادة.
نظام استشعار الألياف الضوئية الموزعة: الاستفادة الكاملة من خصائص الألياف الضوئية نفسها كوسيلة للمراقبة المستمرة, استخدام المؤثرات البصرية غير الخطية مثل تشتت رامان وتشتت بريلوين في الألياف الضوئية. تحت آلية تشتت رامان, يتم قياس الفرق في شدة الضوء المتناثرة بين نطاقات Stokes و Anti Stokes لتحديد درجة الحرارة عند موضع معين من الألياف; عندما يحدث تشتت Brillouin, لأنه يقوم على تأثير العوامل الخارجية (مثل درجة الحرارة والإجهاد) على الطول الموجي لموجة الضوء المرتدة لفهم الكميات الفيزيائية مثل إجهاد الألياف الضوئية. يتيح هذا المبدأ المستند إلى ظاهرة التشتت المتأصلة في الألياف الضوئية المراقبة المستمرة والموزعة للكميات الفيزيائية على طول الألياف دون الحاجة إلى إضافة مواد أو هياكل استشعار إضافية إلى الألياف. يحدد هذا المبدأ أن مراقبتها هي طريقة مستمرة للحصول على المعلومات الموزعة على طول الألياف الضوئية, ويمكن قياس مسافات أطول. لكن, يحدد المبدأ الفيزيائي أن دقتها الإجمالية ستتأثر بعوامل مثل ضعف الإشارات المتناثرة والضوضاء.
نظام استشعار درجة حرارة شبكة الألياف Bragg: إنه يعمل على أساس مبدأ أن التغيرات في درجات الحرارة تسبب تغيرات في الطول الموجي لشبكة Bragg للألياف. هذا التغيير في الطول الموجي دقيق للغاية, ويمكن إدراك التغيرات في درجات الحرارة عن طريق قياس الطول الموجي أو التغيرات الطيفية للضوء المنعكس. المكون الأساسي, الألياف براج صريف, عبارة عن بنية متغيرة لمؤشر الانكسار الدوري يتم تصنيعها بشكل مصطنع في الألياف الضوئية. وهذا الهيكل بالتحديد هو الذي ينتج أنماط انعكاس محددة للضوء ويتأثر بشكل كبير بدرجة الحرارة. إن مبدأ تعديل الطول الموجي لانعكاس الضوء بناءً على هياكل بصرية محددة يمكّن أجهزة الاستشعار من الحصول على دقة وثبات عاليين, ويمكن دمجها مع الأنظمة البصرية الأخرى لتحقيق كشف أعلى للحساسية. لكن, بسبب متطلبات التعقيد والاستقرار لتصنيع هيكل الشبكة, قد يواجه النظام قيودًا معينة على التطبيق من حيث تكاليف الإنتاج واسعة النطاق أو البيئات القاسية (حيث يتأثر الطول الموجي لـ Bragg بالعوامل الخارجية وهناك خطر الانحراف الناتج عن عدم درجة الحرارة).

2、 مقارنة التعقيد الهيكلي

نظام استشعار درجة حرارة الألياف الضوئية الفلورية: الهيكل بسيط نسبيا. يتكون بشكل رئيسي من ثلاثة أجزاء: التحقيق (الألياف متعددة الأوضاع والمواد الفلورية العليا), ألياف النقل, ومزيل تشكيل الإشارة. توجد المواد الفلورية فقط في الجزء العلوي من الألياف الضوئية, تلقي ضوء الإثارة مباشرة من ألياف النقل ونقل التألق المتحمس إلى مزيل التشكيل عبر الألياف. هذا النوع من بنية الجهاز بسيط نسبيًا وواضح وظيفيًا, مع نمطية واضحة بين الأجزاء المختلفة وعملية تصنيع بسيطة ومباشرة. على الرغم من أنه يتضمن أيضًا دمج مواد الفلورسنت وربطها بأطراف الألياف, التعقيد العام ليس مرتفعا. من السهل نسبيًا التحكم في عملية الإنتاج واسعة النطاق, لديه توافق جيد, ويمكن دمجها بمرونة مع تحقيقات مختلفة للاستخدام. من الملائم تخطيط المسابر للقياس في بيئات مختلفة بسيطة أو معقدة.
نظام استشعار الألياف الضوئية الموزعة: أكثر تعقيدا من الناحية الهيكلية. قام النظام ببناء نظام كشف وتحليل متعدد الوظائف حول شبكات الألياف الضوئية. من اختيار ووضع الألياف الضوئية نفسها (مع الأخذ في الاعتبار الاختلافات في خصائص الألياف في البيئات المختلفة, بما في ذلك استخدام كابلات الاتصالات الضوئية العادية وطرق استخدام الموارد الأخرى), إلى التركيب الموزع للعديد من وحدات الاستشعار والمراقبة وتحديد المواقع والتحليل على طول كابلات الألياف الضوئية. فهو لا يشمل فقط توليد الإشارات الأساسية ونقلها, ولكنها تتضمن أيضًا كشفًا معقدًا للإشارات الضوئية, إزالة تشكيل إشارة الموجة الضوئية وتحليلها تحت تأثير الكميات الفيزيائية المختلفة. على سبيل المثال, وحدات المسار البصري التي تتطلب معالجة الانقسام والتداخل, بالإضافة إلى أجزاء معالجة الإشارات الإلكترونية المعقدة التي تتضمن معالجة DSP عالية السرعة وتحليل إشارات الاهتزاز لتحقيق تحديد الموقع الدقيق والحكم على الأحداث, تعمل الوحدات الوظيفية المتعددة في نظام الشبكة بأكمله معًا لتحقيق المراقبة والتحليل الموزع للكميات الفيزيائية المختلفة مثل درجة الحرارة والإجهاد عبر مسافات طويلة عبر المناطق. لذلك, التعقيد الهيكلي مرتفع نسبيا. بمجرد حدوث خطأ أو تدهور في الأداء في رابط معين من هذه البنية, تعتبر عملية استكشاف الأخطاء وإصلاحها وإصلاحها مرهقة نسبيًا, ولكن بمجرد أن يتم بناؤه بنجاح, يمكن أن تلعب وظيفة مراقبة موزعة قوية.
نظام استشعار درجة حرارة شبكة الألياف Bragg: الهيكل ذو تعقيد معتدل. جوهر هو عنصر صريف الألياف البصرية, ويتطلب إنتاج شبكات الألياف الضوئية في حد ذاته عمليات متخصصة مثل الطباعة الحجرية الضوئية. لكن, مقارنة بأنظمة استشعار الألياف الضوئية الموزعة, هيكلها بسيط نسبيًا لأنه لا يتطلب آليات معالجة متعددة النقاط للمراقبة الموزعة المعقدة. لكن, عند تشكيل نظام كامل لاستشعار درجة الحرارة, ومن الضروري أيضًا التعاون مع مصدر للضوء وأجهزة لمعالجة وتحليل الضوء المنعكس (مثل كاميرات CCD, معالجات الإشارات, وغيرها من المعدات المستخدمة لجمع ومعالجة تغييرات الإشارات الضوئية بناءً على انعكاس الشبكة للحصول على معلومات درجة الحرارة). فضلاً عن ذلك, عند بناء نظام التحكم في درجة الحرارة, فمن الضروري إضافة مكونات مثل وحدات التحكم والمحركات لتحقيق وظائف التحكم الشاملة. على الرغم من أن عدد المكونات ليس كبيرًا مثل عدد أنظمة استشعار الألياف الضوئية الموزعة, يتطلب الهيكل العام مطابقة دقيقة وعملًا تعاونيًا بين المكونات البصرية ذات الصلة بشبكة الألياف Bragg والتحكم في الدائرة المساعدة, كشف, وروابط أخرى. هناك أيضًا بعض متطلبات التعقيد أثناء تكامل النظام وتصحيح الأخطاء.

3、 مقارنة مؤشرات الأداء

نظام استشعار درجة حرارة الألياف الضوئية الفلورية:
دقة القياس: يمكن تعديل دقة القياس للنظام وفقًا للاحتياجات المختلفة, ويغطي نطاق الدقة الشائع الاستخدام ± 0.05 درجه مئوية – ± 1 درجه مئوية. منتجات مختلفة, سيناريوهات التطبيق, إلخ. سوف تعتمد مستويات دقة مختلفة, ولكن بشكل عام, يمكنها تلبية احتياجات العديد من الصناعات وبعض السيناريوهات الخاصة ضمن نطاق معين. لكن, لا تزال دقتها تعتمد نسبيًا على عوامل مثل ثبات مادة الفلورسنت ودرجة تحسين خوارزمية القياس. بالمقارنة مع أجهزة استشعار شبكة الألياف Bragg, قد تكون هناك فجوة 1 في مجال الدقة العالية.
نطاق القياس: نطاق قياس درجة الحرارة واسع نسبيا, مقسمة إلى أربعة أقسام: -40 درجه مئوية -+80 درجه مئوية- 40درجه مئوية – +250درجه مئوية；- 40درجه مئوية – +400درجه مئوية；+ 20 درجه مئوية -+60 درجه مئوية (طبي), قادرة على التكيف مع متطلبات نطاق درجة الحرارة من البرد إلى درجة الحرارة المرتفعة, من البيئات المدنية العادية إلى البيئات الطبية والصحية الخاصة, والعديد من سيناريوهات الاستخدام الأخرى.
أداء مضاد للتدخل: قدرة قوية ضد التداخل الكهرومغناطيسي. بسبب العزل الكهربائي للألياف الضوئية نفسها وحقيقة أن مبدأ التلألؤ الداخلي والكشف عن المواد الفلورية لا يرتبط بالتداخل الكهرومغناطيسي, لا يزال بإمكانه العمل بثبات حتى في بيئات المجال الكهرومغناطيسي ذات الجهد العالي والمعقدة (مثل مراقبة درجة حرارة المعدات بالقرب من معدات الجهد العالي داخل محطات الطاقة الفرعية). في نفس الوقت, يمكن لمسبار الألياف الضوئية بالكامل أن يتكيف مع البيئات المسببة للتآكل المختلفة لأنه لا يؤدي إلى تآكل أي أجزاء معدنية. كما أن ميزة مقاومة التداخل هذه تجعلها قابلة للتكيف بشكل كبير مع الأجهزة الكهربائية المختلفة, مغناطيسي, والبيئات الكيميائية, مثل قياس درجة حرارة المواد داخل الورش الكيميائية.
نظام استشعار الألياف الضوئية الموزعة:
دقة القياس: من حيث الدقة, إنها محدودة نسبيًا بسبب آلياتها الفيزيائية المعقدة مثل تشتت رامان وبريلوين, بالإضافة إلى عوامل مختلفة مثل الضوضاء البيئية والتغيرات في أداء الألياف. في قياس درجة الحرارة, على الرغم من إمكانية تحقيق مراقبة بعيدة المدى وواسعة النطاق, الدقة ضعيفة نسبيًا مقارنة بأجهزة استشعار درجة الحرارة المتخصصة عالية الدقة. على سبيل المثال, في مراقبة سلامة خطوط أنابيب النفط لمسافات طويلة, الشرط الرئيسي لدقة درجة الحرارة هو الكشف عن مجموعة كبيرة من الحالات الشاذة في درجات الحرارة, وشرط الدقة المطلقة للدقة العددية لدرجة الحرارة ليس شرطا ضروريا.
نطاق القياس: يمكن أن يكون لها نطاق كبير من القدرة على التكيف في مراقبة درجة الحرارة والإجهاد, لكن القيم المحددة غالبًا ما تعتمد على عوامل مختلفة مثل نوع الألياف الضوئية, مصدر الضوء المستخدم في النظام, وجهاز الكشف. على سبيل المثال, يمكن استخدامه لمراقبة الإجهاد الهيكلي وإجهاد درجة الحرارة الناجم عن المعلمات ذات الصلة في البيئات الصناعية التي تتراوح من درجة حرارة الغرفة إلى درجة حرارة عالية أو درجة حرارة منخفضة معينة.
أداء مضاد للتدخل: تعد القدرة على مقاومة التداخل الكهرومغناطيسي ميزة مهمة, حيث أنه يمكن أن يعمل في بيئات المجال الكهرومغناطيسي القوية دون تدخل. في نفس الوقت, الألياف الضوئية نفسها هي وسيلة استشعار ونقل سلبية, حتى يتمكن من العمل بأمان في بعض المناطق الخطرة (مثل مناجم الفحم تحت الأرض لمراقبة هياكل الأنفاق ودرجة الحرارة لمنع انفجارات الغاز وغيرها من المخاطر, دون مخاطر كهربائية مثل الشرر الكهربائي). لكن, نسبيا, فهو أكثر حساسية للتلف الذي يلحق بالألياف نفسها أو التدخل البيئي (مثل التمدد المفرط والانحناء للألياف, تقلبات كبيرة في البيئة المحلية درجة الحرارة على طول الألياف, وتأثيرات القياس على الإشارات المتناثرة). على الرغم من وجود العديد من الأساليب في التصميم لتقليل هذا التأثير, ويظل الاستقرار تحديا في تقييم الأداء.

نظام استشعار درجة حرارة شبكة الألياف Bragg:

دقة القياس: لديها دقة قياس عالية, والذي يعتمد على مبدأ تعديل درجة الحرارة الدقيق للغاية للطول الموجي لشبكة الألياف Bragg. على سبيل المثال, يمكنه إظهار مزاياه في السيناريوهات التي تتطلب دقة عالية, مثل المعدات الدقيقة ومراقبة درجة حرارة المناطق الصغيرة داخل الكائنات الحية. يمكنه تحقيق اكتشاف حساسية عالية جدًا عند مستوى أقل من ميلي كلفن, وتوفير بيانات دقيقة في مراقبة درجة حرارة الأدوات والمعدات الدقيقة, بالإضافة إلى سيناريوهات الكشف حيث تكون التغيرات في درجات الحرارة دقيقة للغاية في مجال الطب الحيوي.
نطاق القياس: على الرغم من أنها يمكن أن تلبي الاحتياجات في العديد من السيناريوهات, إنه يشكل تحديات كبيرة لاستقرار المواد البصرية والهياكل الشبكية في ظروف درجات الحرارة المرتفعة أو المنخفضة للغاية, ونطاق القياس الخاص به ليس واسعًا مثل أنظمة استشعار درجة حرارة الألياف الفلورية. لكن, يمكن للتصنيع الخاص والتصميم الأمثل لشبكات الألياف المختلفة من Bragg توسيع نطاق القياس جزئيًا لتلبية احتياجات المزيد من أنواع السيناريوهات.
أداء مضاد للتدخل: قدرة قوية ضد التداخل الكهرومغناطيسي, نظرًا لأن التيار لا يتطلب اتصالاً خارجيًا ومبدأ قياس الانعكاس البصري المستقر, فهو أقل تأثراً بالتداخل الكهرومغناطيسي الخارجي. قادرة على مراقبة استقرار درجة الحرارة في البيئات الصناعية العادية, البيئات الإلكترونية للمعدات الطبية, وبعض بيئات البحث العلمي الأساسية حيث تتعايش أجهزة كهرومغناطيسية متعددة. لكن, بسبب هيكلها الأكثر دقة نسبيًا, قد تؤثر شبكات الألياف Bragg على أداء القياس في ظل بعض الظروف الخارجية (مثل التأثير الجسدي الكبير أو الضغط الذي قد يؤدي إلى تلف هيكل الشبكة). لكن, في ظل الظروف العادية, طالما تم تجنب مخاطر الأضرار الجسدية الواضحة, القدرة الشاملة ضد التدخل قوية.

مستشعر درجة حرارة الألياف الضوئية, نظام مراقبة ذكي, الشركة المصنعة للألياف الضوئية الموزعة في الصين