مبدأ وتطبيق أجهزة استشعار الألياف الضوئية الموزعة

في السنوات الأخيرة, تطورت تكنولوجيا استشعار الألياف الضوئية بسرعة وحظيت باهتمام متزايد, أصبحت تدريجيًا صناعة رئيسية أخرى لتكنولوجيا تطبيقات الألياف الضوئية بعد تطور صناعة اتصالات الألياف الضوئية. فيما بينها, يعد استشعار الألياف الضوئية الموزعة حاليًا أحد موضوعات البحث الساخنة محليًا ودوليًا.

قياس استشعار الألياف الضوئية الموزعة هو تقنية تستخدم خصائص الاستمرارية المكانية أحادية البعد للألياف الضوئية للقياس. تعمل الألياف الضوئية كعنصر استشعار وعنصر نقل, مما يسمح بالقياس المستمر للمعايير البيئية الموزعة على طول الألياف بالكامل, مع الحصول على حالة التوزيع المكاني والمعلومات الزمنية للبيانات المقاسة. الألياف الضوئية الموزعة sensing technology mainly includes optical time-domain reflection and frequency-domain reflection technology based on fiber Raman scattering or Brillouin scattering (R/B-OTDR/OFDR), polarized optical time-domain reflection technology based on fiber Rayleigh scattering (P-OTDR), long-distance optical interference technology, and quasi distributed fiber Bragg grating multiplexing technology.

Principles of استشعار الألياف الضوئية الموزعة تكنولوجيا

Distributed Fiber Optic Sensing Technology Based on Backscattering

When light waves propagate in optical fibers, they generate backscattered light, including Rayleigh scattering, تناثر رامان, وتناثر Brillouin. By detecting the backscattering generated by various points along the fiber optic cable, the relationship between the backscattered light and the measured (مثل درجة الحرارة, ضغط, اهتزاز, إلخ.) can be used to achieve distributed fiber optic temperature sensing based on Raman scattering.

قياس إشارة انعكاس ستوكس رامان المضادة يمكن تحقيق الألياف الضوئية الموزعة استشعار درجة الحرارة. منذ الثمانينات, تم إجراء بحث مكثف حول تقنية قياس المجال الزمني البصري لإشارات التشتت المضادة لستوكس رامان محليًا ودوليًا.

من خلال الاستفادة من تأثير درجة الحرارة للتشتت الخلفي للألياف الضوئية, يقوم مجال درجة الحرارة عند كل نقطة في المساحة التي يوجد بها الألياف بتعديل شدة ضوء التشتت الخلفي المضاد لـ Stokes في الألياف. انعكاس المجال الزمني البصري (أوتدر) يتم استخدام تقنية الألياف الضوئية لكشف وتحديد نقاط درجة الحرارة المقاسة. تتمتع هذه التكنولوجيا بمبدأ قياس بسيط وتكلفة منخفضة نسبيًا. حالياً, يمكنها تحقيق مسافة قياس تزيد عن ذلك 10 كم وتم تطبيقها إلى حد ما. لكن, فهو يتطلب طاقة عالية, short pulse light sources and high-speed signal amplification and acquisition devices, and its temperature measurement accuracy and spatial resolution are limited by device performance and cost.

في السنوات الأخيرة, optical frequency domain reflection technology (OFDR) has also experienced rapid development. OFDR technology uses a power modulated continuous laser as the light source, so the backward Raman scattering power is nearly 2000 times higher than that of OTDR technology under the same incident conditions. Although the signal is modulated at high speed, the frequency band is narrow and easy to remove noise through filtering, which can greatly improve the signal-to-noise ratio of the sensing signal. It has greater advantages in spatial resolution, detection accuracy, and real-time performance.

Distributed fiber optic temperature/stress sensing based on Brillouin scattering

When using narrow linewidth continuous laser to pump single-mode fibers, Brillouin scattering is a major nonlinear effect. The scattering performance of Brillouin scattering can be described by the magnitude of the Brillouin scattering frequency shift, which is related to the phonon rate of the medium, and this rate depends on temperature and strain. Distributed fiber optic temperature and stress sensing can be achieved by obtaining temperature or stress information through spectral analysis and locating the parameter field distribution using pulsed light.

The distributed fiber optic sensing technology based on stimulated Brillouin scattering has high accuracy and spatial resolution for measuring single distributed parameters such as temperature and stress, and is the most promising and breakthrough technology developed in recent years. It generally adopts a Pump Probe structure, known as Brillouin optical time-domain analysis (بوتدا). في الوقت الحالي, distributed fiber optic sensing technologies based on stimulated Brillouin scattering mainly include BOTDA based on pulse laser pumping, BOTDA based on correlated continuous waves, and BOTDA based on dark pulse laser pumping.

Distributed sensing based on polarized light time-domain reflection

Polarized time-domain reflection (POTDR) sensing is a novel sensing technology that achieves distributed fiber sensing by detecting changes in polarization state in optical fibers. POTDR technology is developed on the basis of OTDR technology, and its working principle is that the backward Rayleigh scattering light in the tested single-mode fiber contains additional information about the polarization state changing along the fiber. By coupling linearly polarized light into a fiber optic, Rayleigh scattering occurs when light pulses are transmitted in the fiber. During the scattering process, the polarization state of the light changes with the action of external parameters on the fiber, and the polarization of the light is a function of position. لذلك, by detecting the polarization characteristics of backscattered light, the temporal and spatial distribution of polarization characteristics in the fiber optic can be obtained, thereby obtaining the measured field distribution. Distributed fiber optic sensing technology has excellent measurement accuracy, مصداقية, وخصائص القياس الديناميكي, وهو آمن بطبيعته وسهل وضعه في الهندسة. لذلك, يستخدم على نطاق واسع في الهندسة المدنية, الطيران, قوة, البتروكيماويات, المجالات الطبية وغيرها.

1. التطبيق في هياكل الهندسة المدنية

تُستخدم تقنية استشعار الألياف الضوئية الموزعة على نطاق واسع في الكشف عن سلامة هياكل الهندسة المدنية مثل الجسور, قياس تشوه الصخور, قياس الطريق والموقع, ومراقبة أمن المحيط. يمكن أن يوفر بيانات مهمة لمراقبة السرعة, سعة الحمولة, ونوع مركبات النقل. يمكن أن تصل دقة القياس لهذا النوع من أجهزة الاستشعار إلى عدة مستويات من الإجهاد الدقيق, مع موثوقية جيدة, ويمكن تحقيق القياس الديناميكي. باستخدام التضمين الموزع, ويمكنه أيضًا مراقبة الحالة الصحية للمبنى بأكمله, وبالتالي منع وقوع الحوادث الهندسية والمرورية.

2. Applications in the aerospace field

In the field of aerospace, flight safety is a highly concerned aspect. Fiber optic sensors have the advantages of small size, خفيفة الوزن, وحساسية عالية. Distributed fiber optic sensing technology was successfully used for non-destructive testing in the aerospace field as early as 1988. Embedding fiber optic sensors into aircraft or launch tower structures to form a distributed intelligent sensing network can enable real-time monitoring of the internal mechanical performance and external environment of the aircraft and launch tower. Boeing has conducted a lot of research in this area. في الوقت الحالي, distributed fiber optic sensing technology can be used to achieve strain and displacement monitoring at aircraft wings, wings, stabilizer shafts, support rods, and other locations, as well as real-time online measurement of operating temperatures at connection points such as motors and circuits.

3. Applications in the Shipbuilding Industry

Fiber optic sensing technology is also widely used in the shipbuilding industry, such as strain monitoring at critical positions of the ship, damage assessment, and early warning under overload conditions. Structural defects in ships often affect their safety performance. A large-scale structural health monitoring system based on distributed fiber optic sensing technology can monitor the health status of the ship in real time, thereby preventing accidents from occurring. Large scale application of fiber optic sensing technology for real-time detection of damage in ships and submarines.

4. Applications in the power industry

أدى التوسع السريع لشبكة الطاقة والتحسين المستمر لمستويات الجهد إلى زيادة متطلبات الموثوقية والتشغيل الآمن لمعدات الطاقة. لكن, تكنولوجيا الكشف عن الجهد العالي لا تستطيع مواكبة تطور الوضع, ولم تعد معدات الكشف التقليدية قادرة على تلبية الاحتياجات الحالية. في الوقت الحالي, تعد مستشعرات الألياف الضوئية الموزعة تقنية كشف مثالية ولها تطبيقات مهمة في مراقبة سلامة أنظمة الطاقة ذات الجهد العالي. على سبيل المثال, يمكن استخدامه لمراقبة درجة حرارة الكابل والقدرة الاستيعابية الحالية لموصل الكابل. أجهزة استشعار درجة حرارة الألياف الضوئية يمكن استخدامها لمراقبة درجة حرارة سطح خطوط النقل لمسافات طويلة في الوقت الحقيقي, حساب الحمولة المسموح بها والقدرة الاستيعابية الحالية لدرجة حرارة الموصل, and provide comprehensive and effective solutions for fault monitoring and load management of transmission lines, ensuring the safety of transmission lines, improving asset utilization, discovering potential faults, and achieving preventive maintenance.

5. Applications in the petrochemical industry

Leakage is the main fault in the operation of oil pipelines, often resulting in huge losses. لذلك, oil pipeline leakage detection is an important issue that urgently needs to be solved in the petroleum industry. By using sensors installed near pipelines, pressure and vibration signals generated by incidents such as leaks, البناء الميكانيكي القريب, and human damage can be picked up. بالإضافة إلى, pipeline leaks can be detected and located through sensing related technologies. Distributed fiber optic sensing technology is very suitable for long-distance pipeline leakage detection due to its ability to obtain continuous spatial and temporal distribution information of the measured physical field. فضلاً عن ذلك, استشعار الألياف الضوئية الموزعة technology can also be used to monitor the strain and bending status of high-pressure pipelines in real time.

6. Applications in Medicine

Fiber optic sensors are soft, مدمج, with high degrees of freedom, العزل, and are not affected by radio frequency and microwave interference, بدقة قياس عالية. They have obvious advantages in medical applications, such as detecting human blood vessels, human surgical correction, and ultrasonic field measurement. Fiber optic endoscopy makes it feasible to examine almost all parts of the human body, and the operation does not cause pain or discomfort to patients. فيما بينها, fiber optic vascular endoscopy has been applied in human cardiac catheterization. Fiber optic endoscopy is not only used for diagnosis, but is also currently entering the field of treatment, such as polypectomy surgery. Microwave heating treatment technology is currently an effective way of treatment, but the temperature of microwave heating treatment technology is difficult to grasp, و أجهزة استشعار درجة حرارة الألياف الضوئية can precisely monitor the effective temperature of microwave heating treatment technology. The research and application of fiber optic temperature sensors in cancer treatment are increasingly emerging.

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