The principle and application of distributed fiber optic sensors-INNO

En los últimos años, La tecnología de detección de fibra óptica se ha desarrollado rápidamente y ha recibido una atención cada vez mayor., convirtiéndose gradualmente en otra importante industria de tecnología de aplicaciones de fibra óptica después del desarrollo de la industria de comunicaciones de fibra óptica. entre ellos, La detección distribuida por fibra óptica es actualmente uno de los temas de investigación más candentes tanto a nivel nacional como internacional..

La medición de detección distribuida de fibra óptica es una tecnología que utiliza las características de continuidad espacial unidimensional de las fibras ópticas para la medición.. La fibra óptica sirve como elemento sensor y como elemento de transmisión., permitiendo la medición continua de parámetros ambientales distribuidos a lo largo de toda la fibra, mientras se obtiene el estado de distribución espacial y la información temporal de los datos medidos. Fibra óptica distribuida La tecnología de detección incluye principalmente reflexión óptica en el dominio del tiempo y tecnología de reflexión en el dominio de la frecuencia basada en dispersión Raman de fibra o dispersión Brillouin. (R/B OTDR/OFDR), Tecnología de reflexión óptica polarizada en el dominio del tiempo basada en dispersión Rayleigh de fibra. (P-OTDR), tecnología de interferencia óptica de larga distancia, y tecnología de multiplexación de rejilla de Bragg de fibra casi distribuida.

Principios de Detección distribuida de fibra óptica Tecnología

Tecnología de detección distribuida de fibra óptica basada en retrodispersión

Cuando las ondas de luz se propagan en fibras ópticas., generan luz retrodispersada, incluyendo la dispersión de Rayleigh, dispersión raman, y Brillouin dispersión. Detectando la retrodispersión generada por varios puntos a lo largo del cable de fibra óptica., la relación entre la luz retrodispersada y la medida (como la temperatura, estrés, vibración, etc.) Se puede utilizar para lograr una detección distribuida de temperatura por fibra óptica basada en dispersión Raman..

Medición de la señal de reflexión anti Stokes Raman en Las fibras ópticas pueden lograr distribución detección de temperatura. Desde la década de 1980, Se han realizado extensas investigaciones sobre la tecnología de medición óptica en el dominio del tiempo de señales antidispersión Stokes Raman tanto a nivel nacional como internacional..

Utilizando el efecto de temperatura de la retrodispersión de fibra óptica., El campo de temperatura en cada punto del espacio donde se ubica la fibra modula la intensidad de la luz anti-retrodispersión de Stokes en la fibra.. La reflexión óptica en el dominio del tiempo. (OTDR) La tecnología de la fibra óptica se utiliza para detectar y localizar los puntos de temperatura medidos.. Esta tecnología tiene un principio de medición simple y un costo relativamente bajo.. Actualmente, Puede alcanzar una distancia de medición de más de 10 km y se ha aplicado hasta cierto punto. Sin embargo, requiere alta potencia, 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.

En los últimos años, 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 basado en la dispersión de Brillouin

Cuando se utiliza un láser continuo de ancho de línea estrecho para bombear fibras monomodo, La dispersión de Brillouin es un efecto no lineal importante. El rendimiento de la dispersión de Brillouin puede describirse mediante la magnitud del cambio de frecuencia de la dispersión de Brillouin., que está relacionado con la tasa de fonones del medio, y esta tasa depende de la temperatura y la tensión.. La detección distribuida de temperatura y tensión por fibra óptica se puede lograr obteniendo información de temperatura o tensión mediante análisis espectral y localizando la distribución del campo de parámetros utilizando luz pulsada..

La tecnología de detección distribuida de fibra óptica basada en la dispersión Brillouin estimulada tiene alta precisión y resolución espacial para medir parámetros distribuidos únicos como la temperatura y el estrés., y es la tecnología más prometedora y revolucionaria desarrollada en los últimos años. Generalmente adopta una estructura de sonda de bomba., conocido como análisis óptico en el dominio del tiempo de Brillouin (BOTDA). Actualmente, Las tecnologías de detección distribuida de fibra óptica basadas en la dispersión Brillouin estimulada incluyen principalmente BOTDA basado en bombeo por láser de pulso., BOTDA basado en ondas continuas correlacionadas, y BOTDA basado en bombeo con láser de pulso oscuro.

Detección distribuida basada en la reflexión en el dominio del tiempo de la luz polarizada

Reflexión polarizada en el dominio del tiempo (POTDR) La detección es una nueva tecnología de detección que logra la detección distribuida de fibra mediante la detección de cambios en el estado de polarización de las fibras ópticas.. La tecnología POTDR se desarrolla sobre la base de la tecnología OTDR., 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. Por lo tanto, 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, fiabilidad, y características de medición dinámica, y es inherentemente seguro y fácil de instalar en ingeniería.. Por lo tanto, Es ampliamente utilizado en ingeniería civil., aviación, fuerza, petroquímico, medical and other fields.

1. Aplicación en Estructuras de Ingeniería Civil

La tecnología de detección distribuida de fibra óptica se utiliza ampliamente en la detección de seguridad de estructuras de ingeniería civil, como puentes., medición de la deformación de la roca, medición de carreteras y sitios, y monitoreo de seguridad perimetral. Puede proporcionar datos importantes para controlar la velocidad., load capacity, y tipo de vehículos de transporte. La precisión de medición de este tipo de sensores puede alcanzar varios niveles de microdeformación., con buena confiabilidad, y puede lograr una medición dinámica. Mediante el uso de incrustación distribuida, También puede monitorear el estado de salud de todo el edificio., evitando así la aparición de accidentes de ingeniería y de tráfico..

2. Aplicaciones en el campo aeroespacial

In the field of aerospace, flight safety is a highly concerned aspect. Fiber optic sensors have the advantages of small size, peso ligero, y alta sensibilidad. 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. Actualmente, 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

La rápida expansión de la red eléctrica y la mejora continua de los niveles de voltaje han planteado requisitos más altos para la confiabilidad y el funcionamiento seguro de los equipos eléctricos.. Sin embargo, La tecnología de detección de alto voltaje no puede seguir el ritmo del desarrollo de la situación., y los equipos de detección convencionales ya no pueden satisfacer las necesidades actuales. Actualmente, Los sensores distribuidos de fibra óptica son una tecnología de detección ideal y tienen aplicaciones importantes en el monitoreo de seguridad de sistemas de energía de alto voltaje.. Por ejemplo, Se puede utilizar para monitorear la temperatura del cable y la capacidad de carga de corriente del conductor del cable.. sensores de temperatura de fibra óptica Se puede utilizar para monitorear la temperatura de la superficie de líneas de transmisión de larga distancia en tiempo real., calcular la carga permitida y la capacidad de carga de corriente de la temperatura del conductor, y proporcionar soluciones integrales y efectivas para el monitoreo de fallas y la gestión de carga de líneas de transmisión., Garantizar la seguridad de las líneas de transmisión., mejorar la utilización de activos, descubrir posibles fallos, y lograr un mantenimiento preventivo.

5. Aplicaciones en la industria petroquímica

Las fugas son la principal falla en el funcionamiento de los oleoductos, a menudo resulta en enormes pérdidas. Por lo tanto, La detección de fugas en oleoductos es un problema importante que debe resolverse urgentemente en la industria petrolera.. Mediante el uso de sensores instalados cerca de tuberías., Señales de presión y vibración generadas por incidentes como fugas., construcción mecánica cercana, y el daño humano puede ser recogido. Además, Las fugas en las tuberías se pueden detectar y localizar mediante tecnologías relacionadas con la detección.. La tecnología de detección distribuida de fibra óptica es muy adecuada para la detección de fugas en tuberías a larga distancia debido a su capacidad para obtener información continua de distribución espacial y temporal del campo físico medido.. Además, detección distribuida de fibra óptica La tecnología también se puede utilizar para monitorear el estado de tensión y flexión de tuberías de alta presión en tiempo real..

6. Aplicaciones en Medicina

Los sensores de fibra óptica son suaves., compacto, con altos grados de libertad, aislamiento, y no se ven afectados por interferencias de radiofrecuencia y microondas., con alta precisión de medición. Tienen ventajas obvias en aplicaciones médicas., como la detección de vasos sanguíneos humanos, corrección quirúrgica humana, y medición de campo ultrasónico. La endoscopia de fibra óptica permite examinar casi todas las partes del cuerpo humano., y la operación no causa dolor ni molestias a los pacientes. entre ellos, 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, y sensores de temperatura de fibra óptica 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.