Prinsip dan aplikasi pengesan gentian optik teragih-INNO

Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, teknologi penderiaan gentian optik telah berkembang pesat dan mendapat perhatian yang semakin meningkat, secara beransur-ansur menjadi satu lagi industri teknologi aplikasi gentian optik utama selepas pembangunan industri komunikasi gentian optik. Antaranya, penderiaan gentian optik yang diedarkan kini merupakan salah satu topik penyelidikan yang hangat di dalam dan di luar negara.

Pengukuran penderiaan gentian optik teragih ialah teknologi yang menggunakan ciri kesinambungan spatial satu dimensi gentian optik untuk pengukuran. Gentian optik berfungsi sebagai elemen penderiaan dan elemen penghantaran, membenarkan pengukuran berterusan parameter persekitaran yang diedarkan sepanjang keseluruhan gentian, sambil mendapatkan status taburan spatial dan maklumat temporal data yang diukur. Gentian optik teragih teknologi penderiaan terutamanya termasuk pantulan domain masa optik dan teknologi pantulan domain frekuensi berdasarkan serakan Raman gentian atau serakan Brillouin (R/B OTDR/OFDR), teknologi pantulan domain masa optik terpolarisasi berdasarkan hamburan Rayleigh gentian (P-OTDR), teknologi gangguan optik jarak jauh, dan teknologi pemultipleksan parut Bragg gentian teragih kuasi.

Prinsip-prinsip Penderiaan Gentian Optik Teragih Teknologi

Teknologi Penderiaan Gentian Optik Teragih Berdasarkan Penyebaran Belakang

Apabila gelombang cahaya merambat dalam gentian optik, mereka menjana cahaya berselerak belakang, termasuk hamburan Rayleigh, Raman berselerak, dan penyerakan Brillouin. Dengan mengesan penyerakan belakang yang dihasilkan oleh pelbagai titik di sepanjang kabel gentian optik, perkaitan antara cahaya berselerak belakang dan yang diukur (seperti suhu, tekanan, getaran, dll.) boleh digunakan untuk mencapai pengesan suhu gentian optik teragih berdasarkan hamburan Raman.

Mengukur isyarat pantulan anti Stokes Raman masuk gentian optik boleh mencapai teragih penderiaan suhu. Sejak tahun 1980-an, penyelidikan meluas telah dijalankan ke atas teknologi pengukuran domain masa optik isyarat hamburan anti Stokes Raman di dalam dan di luar negara..

Dengan menggunakan kesan suhu penyerakan belakang gentian optik, medan suhu pada setiap titik dalam ruang di mana gentian terletak memodulasi keamatan cahaya anti Stokes hamburan belakang dalam gentian. Pantulan domain masa optik (OTDR) teknologi gentian optik digunakan untuk mengesan dan mencari titik suhu yang diukur. Teknologi ini mempunyai prinsip pengukuran yang mudah dan kos yang agak rendah. Pada masa ini, ia boleh mencapai jarak pengukuran melebihi 10 km dan telah digunakan pada tahap tertentu. Namun begitu, ia memerlukan kuasa tinggi, sumber cahaya nadi pendek dan peranti penguatan dan pemerolehan isyarat berkelajuan tinggi, dan ketepatan pengukuran suhu dan resolusi spatialnya dihadkan oleh prestasi dan kos peranti.

Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, teknologi pantulan domain frekuensi optik (OFDR) juga mengalami perkembangan yang pesat. Teknologi OFDR menggunakan laser berterusan termodulat kuasa sebagai sumber cahaya, jadi kuasa hamburan Raman ke belakang adalah hampir 2000 kali lebih tinggi daripada teknologi OTDR di bawah keadaan kejadian yang sama. Walaupun isyarat dimodulasi pada kelajuan tinggi, jalur frekuensi adalah sempit dan mudah untuk mengeluarkan bunyi melalui penapisan, yang boleh meningkatkan nisbah isyarat-ke-bunyi isyarat penderiaan. Ia mempunyai kelebihan yang lebih besar dalam resolusi spatial, ketepatan pengesanan, dan prestasi masa nyata.

Pengesan suhu/tekanan gentian optik teragih berdasarkan taburan Brillouin

Apabila menggunakan laser berterusan lebar talian sempit untuk mengepam gentian mod tunggal, Penyerakan Brillouin ialah kesan tak linear utama. Prestasi serakan serakan Brillouin boleh digambarkan dengan magnitud anjakan frekuensi serakan Brillouin, yang berkaitan dengan kadar fonon medium, dan kadar ini bergantung kepada suhu dan ketegangan. Suhu gentian optik teragih dan pengesan tegasan boleh dicapai dengan mendapatkan maklumat suhu atau tegasan melalui analisis spektrum dan mengesan taburan medan parameter menggunakan cahaya berdenyut.

Teknologi pengesan gentian optik teragih berdasarkan taburan Brillouin yang dirangsang mempunyai ketepatan tinggi dan resolusi spatial untuk mengukur parameter teragih tunggal seperti suhu dan tegasan, dan merupakan teknologi yang paling menjanjikan dan terobosan yang dibangunkan dalam beberapa tahun kebelakangan ini. Ia biasanya menggunakan struktur Pam Probe, dikenali sebagai analisis domain masa optik Brillouin (BOTDA). Pada masa ini, teknologi pengesan gentian optik teragih berdasarkan penyebaran Brillouin yang dirangsang terutamanya termasuk BOTDA berdasarkan pengepaman laser nadi, BOTDA berdasarkan gelombang berterusan berkorelasi, dan BOTDA berdasarkan pengepaman laser nadi gelap.

Pengesanan teragih berdasarkan pantulan domain masa cahaya terpolarisasi

Pantulan domain masa terpolarisasi (POTDR) penderiaan ialah teknologi penderiaan baru yang mencapai penderiaan gentian teragih dengan mengesan perubahan dalam keadaan polarisasi dalam gentian optik. Teknologi POTDR dibangunkan berdasarkan teknologi OTDR, dan prinsip kerjanya ialah cahaya hamburan Rayleigh ke belakang dalam gentian mod tunggal yang diuji mengandungi maklumat tambahan tentang keadaan polarisasi yang berubah sepanjang gentian. Dengan menggabungkan cahaya terpolarisasi linear ke dalam gentian optik, Penyerakan Rayleigh berlaku apabila denyutan cahaya dihantar dalam gentian. Semasa proses taburan, keadaan polarisasi cahaya berubah dengan tindakan parameter luaran pada gentian, dan polarisasi cahaya adalah fungsi kedudukan. Oleh itu, dengan mengesan ciri-ciri polarisasi cahaya berselerak belakang, taburan temporal dan spatial ciri-ciri polarisasi dalam gentian optik boleh diperolehi, dengan itu memperoleh taburan medan terukur. Teknologi penderiaan gentian optik yang diedarkan mempunyai ketepatan pengukuran yang sangat baik, kebolehpercayaan, dan ciri-ciri pengukuran dinamik, dan sememangnya selamat dan mudah digunakan dalam bidang kejuruteraan. Oleh itu, ia digunakan secara meluas dalam kejuruteraan awam, penerbangan, kuasa, petrokimia, bidang perubatan dan lain-lain.

1. Permohonan dalam Struktur Kejuruteraan Awam

Teknologi penderiaan gentian optik teragih digunakan secara meluas dalam pengesanan keselamatan struktur kejuruteraan awam seperti jambatan, pengukuran ubah bentuk batuan, ukuran jalan dan tapak, dan pemantauan keselamatan perimeter. Ia boleh menyediakan data penting untuk memantau kelajuan, kapasiti beban, dan jenis kenderaan pengangkutan. Ketepatan pengukuran jenis sensor ini boleh mencapai beberapa tahap microstrain, dengan kebolehpercayaan yang baik, dan boleh mencapai pengukuran dinamik. Dengan menggunakan pembenaman teragih, ia juga boleh memantau status kesihatan keseluruhan bangunan, dengan itu mengelakkan berlakunya kemalangan kejuruteraan dan lalu lintas.

2. Aplikasi dalam bidang aeroangkasa

Dalam bidang aeroangkasa, keselamatan penerbangan adalah aspek yang sangat dititikberatkan. Sensor gentian optik mempunyai kelebihan saiz kecil, ringan, dan sensitiviti yang tinggi. Teknologi penderiaan gentian optik yang diedarkan telah berjaya digunakan untuk ujian tidak merosakkan dalam bidang aeroangkasa seawal 1988. Memasukkan penderia gentian optik ke dalam pesawat atau melancarkan struktur menara untuk membentuk rangkaian penderiaan pintar yang diedarkan boleh membolehkan pemantauan masa nyata prestasi mekanikal dalaman dan persekitaran luaran pesawat dan menara pelancaran. Boeing telah menjalankan banyak penyelidikan dalam bidang ini. Pada masa ini, teknologi pengesan gentian optik yang diedarkan boleh digunakan untuk mencapai pemantauan terikan dan anjakan pada sayap pesawat, sayap, aci penstabil, batang sokongan, dan lokasi lain, serta pengukuran dalam talian masa nyata suhu operasi pada titik sambungan seperti motor dan litar.

3. Aplikasi dalam Industri Pembinaan Kapal

Teknologi penderiaan gentian optik juga digunakan secara meluas dalam industri pembinaan kapal, seperti pemantauan ketegangan pada kedudukan kritikal kapal, penilaian kerosakan, dan amaran awal di bawah keadaan lebihan beban. Kecacatan struktur dalam kapal sering menjejaskan prestasi keselamatan mereka. Sistem pemantauan kesihatan struktur berskala besar berdasarkan teknologi pengesan gentian optik yang diedarkan boleh memantau status kesihatan kapal dalam masa nyata, sekali gus mengelakkan kemalangan daripada berlaku. Aplikasi berskala besar teknologi penderiaan gentian optik untuk pengesanan masa nyata kerosakan dalam kapal dan kapal selam.

4. Aplikasi dalam industri kuasa

Pengembangan pesat grid kuasa dan peningkatan berterusan tahap voltan telah mengemukakan keperluan yang lebih tinggi untuk kebolehpercayaan dan operasi peralatan kuasa yang selamat.. Namun begitu, teknologi pengesanan voltan tinggi tidak dapat mengikuti perkembangan keadaan, dan peralatan pengesanan konvensional tidak lagi dapat memenuhi keperluan semasa. Pada masa ini, pengesan gentian optik teragih ialah teknologi pengesanan yang ideal dan mempunyai aplikasi penting dalam pemantauan keselamatan sistem kuasa voltan tinggi. Contohnya, ia boleh digunakan untuk memantau suhu kabel dan kapasiti pembawa arus konduktor kabel. penderia suhu gentian optik boleh digunakan untuk memantau suhu permukaan talian penghantaran jarak jauh dalam masa nyata, hitung beban yang dibenarkan dan keupayaan membawa arus suhu konduktor, dan menyediakan penyelesaian yang komprehensif dan berkesan untuk pemantauan kerosakan dan pengurusan beban talian penghantaran, memastikan keselamatan talian penghantaran, menambah baik penggunaan aset, menemui kemungkinan kerosakan, dan mencapai penyelenggaraan pencegahan.

5. Aplikasi dalam industri petrokimia

Kebocoran adalah kesalahan utama dalam operasi saluran paip minyak, selalunya mengakibatkan kerugian yang besar. Oleh itu, pengesanan kebocoran saluran paip minyak merupakan isu penting yang perlu diselesaikan segera dalam industri petroleum. Dengan menggunakan penderia yang dipasang berhampiran saluran paip, isyarat tekanan dan getaran yang dihasilkan oleh insiden seperti kebocoran, pembinaan mekanikal berdekatan, dan kerosakan manusia boleh diambil. Tambahan pula, kebocoran saluran paip boleh dikesan dan dikesan melalui teknologi berkaitan penderiaan. Teknologi pengesan gentian optik teragih sangat sesuai untuk pengesanan kebocoran saluran paip jarak jauh kerana keupayaannya untuk mendapatkan maklumat pengedaran spatial dan temporal yang berterusan bagi medan fizikal yang diukur. Selain itu, pengesan gentian optik teragih teknologi juga boleh digunakan untuk memantau terikan dan status lenturan saluran paip tekanan tinggi dalam masa nyata.

6. Aplikasi dalam Perubatan

Penderia gentian optik adalah lembut, padat, dengan tahap kebebasan yang tinggi, penebat, dan tidak terjejas oleh frekuensi radio dan gangguan gelombang mikro, dengan ketepatan pengukuran yang tinggi. Mereka mempunyai kelebihan yang jelas dalam aplikasi perubatan, seperti mengesan saluran darah manusia, pembetulan pembedahan manusia, dan pengukuran medan ultrasonik. Endoskopi gentian optik menjadikannya layak untuk memeriksa hampir semua bahagian tubuh manusia, dan pembedahan tidak menyebabkan kesakitan atau ketidakselesaan kepada pesakit. Antaranya, endoskopi vaskular gentian optik telah digunakan dalam kateterisasi jantung manusia. Endoskopi gentian optik bukan sahaja digunakan untuk diagnosis, tetapi kini juga sedang menceburi bidang rawatan, seperti pembedahan polipektomi. Teknologi rawatan pemanasan gelombang mikro kini merupakan cara rawatan yang berkesan, tetapi suhu teknologi rawatan pemanasan gelombang mikro adalah sukar untuk difahami, dan penderia suhu gentian optik boleh memantau dengan tepat suhu berkesan teknologi rawatan pemanasan gelombang mikro. Penyelidikan dan aplikasi penderia suhu gentian optik dalam rawatan kanser semakin muncul.