वितरित फाइबर ऑप्टिक सेंसर का सिद्धांत और अनुप्रयोग

हाल के वर्षों में, फ़ाइबर ऑप्टिक सेंसिंग तकनीक तेजी से विकसित हुई है और इस पर अधिक ध्यान दिया जा रहा है, फाइबर ऑप्टिक संचार उद्योग के विकास के बाद यह धीरे-धीरे एक और प्रमुख फाइबर ऑप्टिक अनुप्रयोग प्रौद्योगिकी उद्योग बन गया है. उनमें से, वितरित फाइबर ऑप्टिक सेंसिंग वर्तमान में घरेलू और अंतरराष्ट्रीय स्तर पर गर्म शोध विषयों में से एक है.

वितरित फाइबर ऑप्टिक सेंसिंग माप एक ऐसी तकनीक है जो माप के लिए ऑप्टिकल फाइबर की एक-आयामी स्थानिक निरंतरता विशेषताओं का उपयोग करती है।. फ़ाइबर ऑप्टिक एक संवेदन तत्व और एक ट्रांसमिशन तत्व दोनों के रूप में कार्य करता है, फाइबर की पूरी लंबाई में वितरित पर्यावरणीय मापदंडों के निरंतर माप की अनुमति देना, while obtaining the spatial distribution status and temporal information of the measured data. वितरित फाइबर ऑप्टिक 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.

के सिद्धांत वितरित फाइबर ऑप्टिक सेंसिंग तकनीकी

Distributed Fiber Optic Sensing Technology Based on Backscattering

जब प्रकाश तरंगें ऑप्टिकल फाइबर में फैलती हैं, they generate backscattered light, including Rayleigh scattering, रमन बिखर रहा है, और ब्रिलोइन बिखराव. By detecting the backscattering generated by various points along the fiber optic cable, the relationship between the backscattered light and the measured (जैसे तापमान, तनाव, कंपन, वगैरह।) रमन स्कैटरिंग के आधार पर वितरित फाइबर ऑप्टिक तापमान संवेदन प्राप्त करने के लिए उपयोग किया जा सकता है.

एंटी स्टोक्स रमन रिफ्लेक्शन सिग्नल को मापना ऑप्टिकल फाइबर वितरित प्राप्त कर सकते हैं तापमान संवेदन. 1980 के दशक से, घरेलू और अंतरराष्ट्रीय स्तर पर एंटी स्टोक्स रमन स्कैटरिंग संकेतों की ऑप्टिकल टाइम-डोमेन माप तकनीक पर व्यापक शोध किया गया है।.

फाइबर ऑप्टिक बैकस्कैटरिंग के तापमान प्रभाव का उपयोग करके, उस स्थान पर प्रत्येक बिंदु पर तापमान क्षेत्र जहां फाइबर स्थित है, फाइबर में एंटी स्टोक्स बैकस्कैटरिंग प्रकाश की तीव्रता को नियंत्रित करता है. ऑप्टिकल टाइम-डोमेन प्रतिबिंब (ओटीडीआर) फाइबर ऑप्टिक की तकनीक का उपयोग मापा तापमान बिंदुओं का पता लगाने और उनका पता लगाने के लिए किया जाता है. इस तकनीक में सरल माप सिद्धांत और अपेक्षाकृत कम लागत है. वर्तमान में, it can achieve a measurement distance of over 10 km and has been applied to a certain extent. तथापि, it requires high-power, 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.

हाल के वर्षों में, 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 (बोटडा). वर्तमान में, 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) सेंसिंग एक नवीन सेंसिंग तकनीक है जो ऑप्टिकल फाइबर में ध्रुवीकरण स्थिति में परिवर्तन का पता लगाकर वितरित फाइबर सेंसिंग प्राप्त करती है. POTDR तकनीक OTDR तकनीक के आधार पर विकसित की गई है, और इसका कार्य सिद्धांत यह है कि परीक्षण किए गए सिंगल-मोड फाइबर में बैकवर्ड रेले स्कैटरिंग लाइट में फाइबर के साथ ध्रुवीकरण स्थिति में बदलाव के बारे में अतिरिक्त जानकारी होती है. रैखिक रूप से ध्रुवीकृत प्रकाश को फ़ाइबर ऑप्टिक में युग्मित करके, रेले का प्रकीर्णन तब होता है जब फाइबर में प्रकाश तरंगें संचारित होती हैं. बिखरने की प्रक्रिया के दौरान, प्रकाश की ध्रुवीकरण स्थिति फाइबर पर बाहरी मापदंडों की कार्रवाई के साथ बदलती है, और प्रकाश का ध्रुवीकरण स्थिति का एक कार्य है. इसलिए, पश्चप्रकीर्णित प्रकाश की ध्रुवीकरण विशेषताओं का पता लगाकर, 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, विश्वसनीयता, and dynamic measurement characteristics, and is inherently safe and easy to lay in engineering. इसलिए, it is widely used in civil engineering, aviation, शक्ति, पेट्रो, medical and other fields.

1. Application in Civil Engineering Structures

Distributed fiber optic sensing technology is widely used in safety detection of civil engineering structures such as bridges, rock deformation measurement, road and site measurement, and perimeter security monitoring. It can provide important data for monitoring the speed, load capacity, and type of transportation vehicles. इस प्रकार के सेंसर की माप सटीकता कई माइक्रोस्ट्रेन स्तरों तक पहुंच सकती है, अच्छी विश्वसनीयता के साथ, और गतिशील माप प्राप्त कर सकते हैं. वितरित एम्बेडिंग का उपयोग करके, यह संपूर्ण भवन की स्वास्थ्य स्थिति की निगरानी भी कर सकता है, जिससे इंजीनियरिंग और यातायात दुर्घटनाओं की घटना को रोका जा सके.

2. एयरोस्पेस क्षेत्र में अनुप्रयोग

एयरोस्पेस के क्षेत्र में, उड़ान सुरक्षा एक अत्यधिक चिंतित पहलू है. फाइबर ऑप्टिक सेंसर के छोटे आकार के फायदे हैं, हल्का वजन, और उच्च संवेदनशीलता. एयरोस्पेस क्षेत्र में गैर-विनाशकारी परीक्षण के लिए वितरित फाइबर ऑप्टिक सेंसिंग तकनीक का सफलतापूर्वक उपयोग किया गया था 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. वर्तमान में, 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, और अधिभार स्थितियों के तहत प्रारंभिक चेतावनी. जहाजों में संरचनात्मक दोष अक्सर उनके सुरक्षा प्रदर्शन को प्रभावित करते हैं. वितरित फाइबर ऑप्टिक सेंसिंग तकनीक पर आधारित एक बड़े पैमाने पर संरचनात्मक स्वास्थ्य निगरानी प्रणाली वास्तविक समय में जहाज की स्वास्थ्य स्थिति की निगरानी कर सकती है, जिससे दुर्घटनाओं को होने से रोका जा सके. जहाजों और पनडुब्बियों में क्षति का वास्तविक समय पर पता लगाने के लिए फाइबर ऑप्टिक सेंसिंग तकनीक का बड़े पैमाने पर अनुप्रयोग.

4. विद्युत उद्योग में अनुप्रयोग

पावर ग्रिड के तेजी से विस्तार और वोल्टेज स्तर में निरंतर सुधार ने बिजली उपकरणों की विश्वसनीयता और सुरक्षित संचालन के लिए उच्च आवश्यकताओं को सामने रखा है. तथापि, हाई-वोल्टेज डिटेक्शन तकनीक स्थिति के विकास के साथ तालमेल नहीं बिठा सकती, और पारंपरिक पहचान उपकरण अब वर्तमान जरूरतों को पूरा नहीं कर सकते हैं. वर्तमान में, distributed fiber optic sensors are an ideal detection technology and have important applications in the safety monitoring of high-voltage power systems. उदाहरण के लिए, it can be used for monitoring cable temperature and cable conductor current carrying capacity. फाइबर ऑप्टिक तापमान सेंसर can be used to monitor the surface temperature of long-distance transmission lines in real time, calculate the allowable load and current carrying capacity of conductor temperature, 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. इसलिए, 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, nearby mechanical construction, and human damage can be picked up. आगे, 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. इसके अलावा, वितरित फाइबर ऑप्टिक सेंसिंग 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, कॉम्पैक्ट, with high degrees of freedom, इन्सुलेशन, and are not affected by radio frequency and microwave interference, with high measurement accuracy. 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. उनमें से, 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, और फाइबर ऑप्टिक तापमान सेंसर माइक्रोवेव हीटिंग उपचार तकनीक के प्रभावी तापमान की सटीक निगरानी कर सकता है. कैंसर के उपचार में फाइबर ऑप्टिक तापमान सेंसर का अनुसंधान और अनुप्रयोग तेजी से उभर रहा है.

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