sistemas de sensores de fibra óptica

Sistema de detecção de temperatura de fibra óptica fluorescente

O sensor de temperatura de fibra óptica fluorescente consiste em uma fibra óptica multimodo e um objeto fluorescente (filme) montado em cima dele. Seu princípio de funcionamento é baseado na energia de fluorescência emitida por uma substância fluorescente sob comprimento de onda específico (espectro de excitação) excitação luminosa. Após a excitação ser cancelada, a persistência do brilho residual da fluorescência é afetada por fatores como as características da substância fluorescente e a temperatura ambiente. A fluorescência geralmente decai exponencialmente, e a constante de tempo de decaimento é o tempo de vida da fluorescência ou o tempo de pós-luminescência da fluorescência (ns). Além disso, o decaimento do brilho residual da fluorescência varia em diferentes temperaturas ambientais. Portanto, a temperatura ambiente pode ser determinada medindo a vida útil do brilho residual da fluorescência.

Este sistema de detecção tem múltiplas vantagens. Primeiramente, a tecnologia principal reside em substâncias fluorescentes e algoritmos de simulação correspondentes. O princípio técnico e a estrutura do produto são simples, e o medição de temperatura fluorescente material utilizado é calcinado a 1200 graus Celsius, que tem vida útil extremamente longa e características de trabalho estáveis ​​e confiáveis. É muito adequado para produção em massa industrial em grande escala e amplamente utilizado no campo industrial. Em segundo lugar, sondas de fibra óptica pura têm as características de segurança intrínseca, isolamento de alta tensão, e resistência à interferência eletromagnética; O sistema opera de forma estável, sem desvios e não requer calibração ou verificação durante toda a sua vida útil; Adotando design modular, pode ser conectado em rede de forma flexível e expandido infinitamente a qualquer momento sem causar desperdício de recursos; Equipado com saídas digitais e analógicas, é conveniente para controle automatizado em tempo real e gerenciamento de dados; A sonda e o demodulador são compactos e flexíveis, fácil de instalar e manter. É amplamente utilizado em vários campos de aplicação. No campo da rede elétrica, pode ser usado para monitorar o temperatura de pontos quentes, como painéis e transformadores, detectar anomalias de temperatura em tempo hábil, e garantir a operação segura e estável da energia; No campo da pesquisa laboratorial, é possível monitorar as mudanças de temperatura dos sistemas de reação em experimentos químicos para garantir a precisão dos resultados experimentais, e em experimentos biológicos, é possível monitorar a distribuição da temperatura dentro do organismo, que ajuda os pesquisadores médicos a estudar a estabilidade térmica dos organismos; Na área médica, mudanças de temperatura dos pacientes podem ser monitoradas durante a cirurgia para garantir um bom funcionamento, e pode ser usado em centros de reabilitação para avaliar o estado de recuperação do paciente. Além disso, tem vantagens únicas em muitos cenários especiais, como medir a temperatura interna de nuggets de frango na indústria alimentícia para garantir que o interior esteja cozido e a superfície não seja queimada durante o processo de cozimento; Quando o acoplamento preciso de pequenos componentes é realizado na indústria eletrônica em ambiente de micro-ondas para monitoramento de temperatura, termômetros termopares tradicionais não podem medir com precisão devido à influência das microondas, enquanto os sensores de temperatura de fibra óptica fluorescentes têm vantagens óbvias de não serem afetados por interferência eletromagnética. Experimentos mostraram que neste cenário, termômetros de fibra óptica lêem com precisão e não são afetados por fatores externos, enquanto os termômetros termopares apresentam grandes erros.

Suplemento de aplicativo relacionado a vários domínios

Além das áreas de aplicação comuns mencionadas anteriormente, sensores de temperatura de fibra óptica fluorescentes também têm valor importante em outras indústrias. Na indústria petroquímica, locais como refinarias têm substâncias inflamáveis, explosivo, e ambientes corrosivos. A segurança intrínseca e a corrosão resistência de sensores de temperatura de fibra óptica fluorescente permitir-lhes monitorar efetivamente a temperatura das tubulações, vasos de reação, e outros equipamentos, garantir que o processo de produção seja realizado em condições de temperatura adequadas e que a segurança do pessoal e do equipamento seja garantida. No campo aeroespacial, a detecção de temperatura pode ser realizada em componentes-chave, como motores, que exige que os sensores tenham alta precisão, resistência a altas temperaturas, e resistência à interferência eletromagnética. Sensores de temperatura de fibra óptica fluorescentes podem atender com precisão a esses requisitos e ajudar a melhorar a segurança e a confiabilidade da operação de equipamentos aeroespaciais. No campo de novas energias, como geração de energia solar, a medição de temperatura pode ser realizada em painéis solares para otimizar sua eficiência de conversão de energia através da aquisição de dados de temperatura. Uma vez que a temperatura está muito alta e afeta a eficiência da geração de energia, medidas de ajuste oportunas podem ser tomadas. Resumidamente, as características dos sensores de temperatura de fibra óptica fluorescente permitem-lhes abrir continuamente novos cenários de aplicação em muitos campos com requisitos especiais para detecção de temperatura.

Sistema distribuído de detecção de fibra óptica

O fibra óptica distribuída sistema de rede de detecção é um sistema de rede que integra detecção, controlar, e outras funções. Ele usa fibra óptica como meio de detecção, que pode detectar quantidades físicas externas alterando suas características, como comprimento de onda, fase, e intensidade. Ao mesmo tempo, a fibra óptica pode ser bem integrada com sistemas de rede de detecção de fibra óptica como meio de comunicação. Este sistema possui as características de interferência anti-eletromagnética, alta confiabilidade, e monitoramento distribuído de longa distância, e tem amplo valor de aplicação e perspectivas de mercado.

De uma perspectiva técnica, efeitos ópticos não lineares, como efeitos Raman e Brillouin em fibra óptica, são usados ​​para detectar estresse induzido por temperatura e pressão ambiental. Por exemplo, O espalhamento Raman é usado para detecção de temperatura distribuída (ETED), que pode determinar com precisão a temperatura em qualquer posição ao longo da fibra, medindo a diferença na intensidade da luz retroespalhada nas bandas de Stokes e anti-Stokes; O princípio da dispersão de Brillouin é semelhante, onde o comprimento de onda da luz retroespalhada é influenciado pela temperatura externa e estímulos acústicos de maneira previsível. Combinando esses dados com o conhecimento prévio da temperatura no mesmo ponto, a deformação sofrida pela fibra pode ser determinada com precisão, e quais áreas da fibra são afetadas podem ser analisadas.

Desempenha um papel insubstituível em muitos campos. Em termos de monitoramento de segurança, é um novo dispositivo altamente atraente de tecnologia de detecção de fibra óptica, que pode alcançar monitoramento perimetral e alarme para locais especiais, como aeroportos, fronteiras, bases, portos, etc.; Monitoramento de segurança de oleodutos/gasodutos e oleodutos de refinarias; Pode conseguir detecção de escavação de túneis para locais especiais, como bases militares, prisões, bancos, e usinas nucleares, e detectar ameaças potenciais em tempo hábil; A capacidade de monitoramento distribuído de longa distância para cabos ópticos no governo, bancário, agências de inteligência, e outros locais está fora do alcance dos sensores tradicionais. E também tem aplicações em monitoramento industrial, como varredura de temperatura de armazéns de grãos e depósitos de petróleo para compreender de forma abrangente a distribuição de temperatura e obter um monitoramento mais preciso. Também pode ser usado para monitoramento distribuído de temperatura e deformação de diversas estruturas, como pontes., barragens, túneis, etc..

Em termos de indicadores técnicos e características práticas de aplicação, isso é claramente refletido em um sistema de alerta precoce com detecção de fibra óptica distribuída. A tecnologia de posicionamento de núcleo único projetada com um caminho óptico de núcleo duplo economiza recursos de fibra e melhora a precisão do posicionamento em comparação com a tecnologia internacional de posicionamento de três núcleos; O sistema é dividido em dois tipos: tipo de cerca e tipo enterrado para se adaptar a diferentes cenários de aplicação de cercas de superfície (como ferro forjado, malha de arame, cercas, paredes, etc.) e subterrâneo (como pastagens, camadas de cascalho, pisos de cimento, e solo comum); O sistema de alerta supera sistemas estrangeiros semelhantes em tecnologias-chave, como intensidade de luz, estado de polarização, ângulo de polarização, frequência do sinal óptico, fase, bloqueio de fase óptica, algoritmo de reconhecimento de rede neural caótico, e tecnologia de fusão; Ele tem as vantagens de detecção e transmissão front-end verdadeiramente passivas, construção fácil, e baixo custo (usando cabos ópticos de comunicação comuns como sensores); Existem também vários métodos de monitoramento disponíveis, que pode exibir formas de onda no domínio do tempo em tempo real de distúrbios em cabos de fibra óptica, monitorar sons de interferência ao longo do cabo de fibra óptica, contar o número de eventos de perturbação de cabos de fibra óptica em diferentes períodos de tempo ou distâncias, classificar e identificar com precisão distúrbios nos cabos de fibra óptica ao longo da rota, e exibir alarmes em diagramas de informações geográficas; Existem parâmetros e requisitos correspondentes para indicadores técnicos, como tempo de resposta, resposta de frequência, vida útil da fibra óptica, probabilidade de alarme, probabilidade de alarme falso, distância de monitoramento, precisão de posicionamento, e temperatura de trabalho.

Suplemento às novas tendências de aplicação de sistemas distribuídos de fibra óptica

Com o maior desenvolvimento da tecnologia, o cenários de aplicação de detecção distribuída de fibra óptica sistemas estão em constante expansão e ampliação. No domínio do trânsito ferroviário urbano, o estado de saúde das estruturas dos túneis do metrô pode ser monitorado. Colocando sensores de fibra óptica distribuídos dentro ou ao redor das paredes do túnel, mudanças em parâmetros-chave, como deformação e temperatura do túnel, podem ser detectadas em tempo real. Se houver deformações estruturais (possivelmente causado por mudanças geológicas, terremotos, etc.) ou anomalias de temperatura (como riscos de incêndio, etc.), o sistema pode fornecer dados de feedback oportunos para que o operador tome medidas para evitar a ocorrência de acidentes de segurança. Na construção de redes inteligentes, sistemas de detecção de fibra óptica distribuídos podem monitorar dinamicamente linhas de transmissão de ultra-alta tensão. Eles não contam apenas com o monitoramento tradicional de temperatura para garantir a operação segura das linhas (pois as altas temperaturas da linha podem aumentar as perdas na linha e torná-las propensas a falhas), mas também monitorar as propriedades mecânicas das linhas (como tensão, variedade, etc.) refletindo mudanças nas características da fibra óptica causadas por quantidades físicas através sensores de fibra óptica, tornando toda a rede elétrica mais inteligente e confiável. Além disso, existem aplicações potenciais e perspectivas de desenvolvimento no campo da engenharia oceânica, como monitorar cabos submarinos e monitorar a saúde estrutural de plataformas petrolíferas offshore, salvaguardar o desenvolvimento e a utilização dos recursos marinhos.

Sistema de detecção de temperatura de grade de fibra Bragg

A tecnologia de detecção de grade de Bragg de fibra usa redes de Bragg de fibra como elementos de detecção para medir quantidades físicas através de fibras ópticas, e a detecção de temperatura é um tipo de detecção amplamente utilizado. Grade de fibra Bragg (FBG) é um refletor óptico seletivo de frequência feito usando o princípio da fibra óptica. Sob a excitação de uma fonte de luz, o sinal óptico atinge a grade através da fibra e é refletido de volta. A mudança na quantidade de detecção do FBG pode ser determinada a partir da intensidade da luz refletida e da distribuição do comprimento de onda.

O princípio da detecção de temperatura da rede de fibra óptica é baseado na mudança no comprimento de onda de Bragg da rede causada por mudanças de temperatura. O espectro refletido é capturado por uma câmera CCD, e o sinal de luz refletido é processado por um processador de sinal para obter medição de temperatura. Em termos de sistema de controle, se um sistema de controle de temperatura for construído com base na tecnologia de detecção de grade de Bragg de fibra, consiste principalmente em quatro partes: aquisição de sinal, processamento de sinal, módulo de controle, e atuador. O sensor de rede de Bragg de fibra no processo de aquisição de sinal transmite os sinais coletados para o módulo de processamento de sinal para pré-processamento; O módulo de processamento de sinal é baseado na temperatura coletada e é controlado por um controlador PID incremental para controle relacionado à temperatura; O módulo de controle pode adotar um sistema embarcado, que pode se comunicar com o computador superior, alcançar monitoramento em tempo real de padrões de temperatura e controle, e ser usado para desenvolver outras aplicações avançadas; O mecanismo de execução inclui motor DC, motor de frequência variável, motor de passo, etc..

Sensores de temperatura de grade de Bragg de fibra tem múltiplas vantagens. Primeiramente, tem alta sensibilidade, que está relacionado ao seu princípio de tecnologia de detecção e pode detectar com precisão as mudanças de temperatura; Em segundo lugar, não requer fonte de alimentação externa e não é afetado por interferência eletromagnética. Além disso, sua sonda pode resistir mecânica, eletromagnético, e interferência química bem, e pode medir com segurança quantidades físicas em condições ambientais adversas, como exploração de petróleo e gás (muitas vezes com interferência eletromagnética complexa e possíveis ambientes de corrosão química), aeroespacial (com várias radiações complexas e outras fontes de interferência no espaço e requisitos especiais para peso do equipamento), diagnóstico médico (com numerosos dispositivos circundantes em ambientes médicos, ambientes eletromagnéticos complexos e altos requisitos para segurança de equipamentos de detecção), e controle de processos industriais (afetado por ambientes de campo eletromagnético e diversas substâncias químicas na indústria); E tem as características de alta estabilidade, não é afetado pela intensidade da luz e manchas, bem como vantagens como tamanho pequeno, peso leve, tempo de resposta rápido, interferência anti-eletromagnética, e forte resistência à corrosão, o que o torna mais competitivo do que outros tipos de sensores em uma ampla gama de cenários de aplicação. Além disso, o temperatura da grade Bragg de fibra vale a pena mencionar a tecnologia de detecção baseada na detecção sensível à fase. Esta é uma tecnologia de detecção de temperatura de grade de Bragg de fibra comumente usada, que usa um interferômetro para interferir de forma coerente na luz refletida do FBG (grade Bragg de fibra) com a luz de referência, melhorando assim a sensibilidade e estabilidade do sensor. Alcançou sensibilidade ultra-alta no nível sub milikelvin, tornando-o particularmente adequado para medição precisa de pequenas mudanças de temperatura, como em imagens biomédicas, microfluídica, e nanotecnologia, e tem amplas perspectivas de aplicação.

A tecnologia Fiber Bragg Grating envolve a suplementação de materiais especiais

Na produção e aplicação de sistemas de detecção de temperatura de grade de Bragg de fibra, pesquisa e aplicação de alguns materiais ou estruturas especiais estão envolvidas. A produção de grades de fibra óptica possui requisitos especiais, e a composição do material do núcleo de fibra e do revestimento precisa ser controlada com precisão para alcançar as propriedades ópticas desejadas, como alterações no índice de refração da grade com precisão. Por exemplo, fibras dopadas com elementos específicos como o germânio podem otimizar o desempenho das grades. Em termos de aplicações de detecção, pesquisas sobre materiais de revestimento na superfície de redes de Bragg de fibra também estão em constante aprofundamento. Materiais de revestimento especiais podem aumentar a resistência à corrosão das redes de Bragg de fibra ou melhorar sua interação com a substância detectada. Por exemplo, em alguns cenários de aplicação de monitoramento de ambiente de corrosão, revestindo um revestimento de polímero resistente à corrosão e termicamente condutor, a grade em si não está corroída e a temperatura externa pode ser rapidamente transmitida para a área da grade, tornando a medição mais precisa. Há também a seleção e utilização de materiais de embalagem para sensores. Materiais de embalagem adequados não só podem proteger a grade de Bragg de fibra de funcionar normalmente em ambientes externos complexos (como alta umidade, alta pressão, etc.), mas também minimizar o impacto na condutividade térmica durante medição de temperatura da grade de Bragg de fibra. Por exemplo, materiais compósitos com bom desempenho de vedação, coeficiente de condutividade térmica apropriado, e boa rigidez e resistência podem ser usadas para embalagens.

Visão geral dos sistemas de sensores de fibra óptica

O sistema de sensor de fibra óptica é um sistema de detecção baseado em fibras ópticas, incluindo vários tipos, como sistema de detecção de temperatura de fibra óptica fluorescente, sistema de detecção de fibra óptica distribuída, sistema de detecção de temperatura de grade de fibra óptica, etc.. Cada tipo tem características diferentes em termos de princípio, estrutura, desempenho, etc.. para se adaptar a diferentes cenários de aplicação.

Em princípio, é usar a modulação de algumas características da luz (como comprimento de onda, intensidade, fase, etc.) pela própria fibra ou pelas substâncias dentro da fibra quando a luz se propaga na fibra para refletir as informações das mudanças ambientais externas, alcançando assim o propósito de detecção e medição. Por exemplo, o sensor de temperatura da fibra fluorescente mencionado anteriormente é baseado na relação entre a vida útil do brilho residual da fluorescência e a temperatura; A detecção distribuída de fibra óptica utiliza fenômenos como espalhamento Raman e espalhamento Brillouin para medir quantidades físicas como temperatura ou deformação por meio de diferenças na intensidade da luz ou mudanças de comprimento de onda; A detecção de temperatura da rede de Bragg de fibra depende de mudanças induzidas pela temperatura no comprimento de onda da rede de Bragg para detectar a temperatura.

Estruturalmente, embora existam diferenças entre os sistemas, eles geralmente são construídos em torno de fibra óptica. A fluorescente sistema de detecção de temperatura de fibra consiste em um módulo de material fluorescente no topo da fibra, uma parte de transmissão de fibra, e um demodulador de sinal para obter detecção de temperatura e outras funções; Toda a construção da rede do sistema de detecção de fibra óptica distribuída inclui o layout da rede de fibra óptica na operação, componentes do módulo conectados à rede de fibra óptica para diferentes funções (como aquisição, processamento, etc.), etc.. A estrutura deve garantir a capacidade de alcançar funções contínuas de medição distribuída de longa distância; O sistema de detecção de temperatura da grade de fibra óptica é construído em torno da grade de fibra óptica, os componentes ópticos relevantes para coletar e analisar a luz refletida da grade, e a estrutura de todo o sistema de controle de detecção de temperatura através de módulos de circuito adicionais.

Em termos de desempenho, os três sistemas enfrentam diferentes métricas de avaliação. O sistema de detecção de temperatura por fibra óptica fluorescente concentra-se na precisão da medição em diferentes faixas de temperatura, a estabilidade de todo o sistema (como a importante vantagem de estabilidade de não exigir calibração e verificação durante toda a vida), e as várias propriedades da sonda (como isolamento, resistência à corrosão, segurança, etc.); O detecção de fibra óptica distribuída sistema requer precisão de posicionamento, distância de monitoramento, resposta de frequência, etc.. para medição de longa distância, para que possa desempenhar um papel em cenários de aplicação, como monitoramento de segurança de longa distância e em grande escala; O sistema de detecção de temperatura da grade de fibra Bragg concentra-se principalmente na sensibilidade e no desempenho anti-interferência do sensor (como interferência eletromagnética, interferência química ambiental, etc.), bem como a conveniência de usar o sensor em diferentes campos de aplicação alvo (como a influência do tamanho e peso na instalação e uso em ambientes especiais, etc.).

Os sistemas de sensores de fibra óptica têm uma ampla gama de aplicações em vários campos, como fabricação industrial, energia, comunicação, segurança e proteção, aeroespacial, biomedicina, etc.. devido à sua capacidade inerente de resistir à interferência eletromagnética, viabilidade de medir múltiplas quantidades físicas, e adaptabilidade em diferentes ambientes. Por exemplo, na fabricação industrial, monitorando a temperatura, variedade, e outras condições de equipamentos em ambientes complexos de campo eletromagnético podem ser alcançadas usando sistemas de sensores de fibra óptica, garantindo assim a automação dos processos de produção industrial e as necessidades oportunas de aviso e manutenção para monitorar o status de uso do equipamento; No campo da energia, monitorar e garantir a operação segura de instalações como oleodutos e gasodutos e linhas de transmissão de energia pode ser melhorado através de sistemas de sensores de fibra óptica; Em termos de segurança e proteção, sistemas de detecção de fibra óptica podem ser implantados em torno do perímetro e das principais instalações (como instalações de energia nuclear) para melhorar as capacidades de defesa e monitoramento.

Tendências Complementares de Desenvolvimento de Sistemas de Sensores de Fibra Óptica

Com o desenvolvimento da ciência dos materiais, tecnologia óptica e outros campos relacionados, sistemas de sensores de fibra óptica estão avançando em direção a maior sensibilidade, maior precisão, redes em maior escala, e maior adaptabilidade a ambientes complexos. Novos materiais de fibra óptica estão sendo constantemente desenvolvidos, que apresentam vantagens como menores perdas e maior desempenho óptico, melhorando significativamente o desempenho dos sistemas de sensores de fibra óptica em todos os aspectos. Por exemplo, o desenvolvimento de fibras ópticas especiais permite que os sensores funcionem com precisão e estabilidade em ambientes extremamente agressivos, como altas temperaturas e forte corrosão. Em termos de integração multifuncional, futuros sistemas de sensores de fibra óptica não podem estar limitados a medir uma única quantidade física (como temperatura ou tensão). Um sistema de sensores pode detectar simultaneamente múltiplas quantidades físicas e realizar análises abrangentes para obter informações mais úteis.. Isto requer um maior desenvolvimento em tecnologias correspondentes, como óptica integrada e algoritmos inteligentes. Em termos de aplicações de rede em grande escala, com o desenvolvimento de tecnologias de comunicação de nova geração, como 5G e a Internet das Coisas, sistemas de sensores de fibra óptica, como um método de monitoramento que pode fornecer uma grande quantidade de dados brutos e tem mais vantagens que os sensores tradicionais, desempenhará um papel cada vez mais importante na construção de redes de sensores para redes de grande escala, como fábricas inteligentes e cidades inteligentes no futuro.

Comparação de vários sistemas de sensores de fibra óptica

 

1、 Comparação das principais características

Sistema de detecção de temperatura de fibra óptica fluorescente: Com a ajuda de substâncias fluorescentes, as características de luz de seu brilho fluorescente dependem da temperatura após serem excitadas por luz específica. A mudança na temperatura ambiente causará uma mudança no modo de decaimento do brilho residual da fluorescência, e a medição da temperatura pode ser alcançada detectando a duração da vida útil do brilho residual da fluorescência. Este princípio é baseado na conversão de energia e nas características de radiação entre substâncias fluorescentes e luz, o que é bastante único. As fibras ópticas servem principalmente como canais para transmissão de luz de excitação e transmissão de fluorescência, e não confie no espalhamento óptico ou nos fenômenos de reflexão da própria fibra para detectar, ao contrário dos outros dois sistemas. A sensibilidade do sistema sob este princípio pode ser ajustada de acordo com a seleção específica da substância fluorescente e o algoritmo de otimização, mas em contraste, sua resposta às mudanças de temperatura depende mais das características inerentes da substância fluorescente, e o mecanismo físico teórico está diretamente relacionado à interação microscópica entre luz e matéria.
Sistema distribuído de detecção de fibra óptica: utilizando totalmente as características da própria fibra óptica como meio de monitoramento contínuo, utilizando efeitos ópticos não lineares, como espalhamento Raman e espalhamento Brillouin em fibra óptica. Sob o mecanismo de espalhamento Raman, a diferença na intensidade da luz retroespalhada entre as bandas Stokes e anti-Stokes é medida para determinar a temperatura em uma determinada posição da fibra; Quando ocorre a dispersão de Brillouin, é baseado na influência de fatores externos (como temperatura e tensão) no comprimento de onda da onda de luz retroespalhada para compreender as quantidades físicas, como a deformação da fibra óptica. Este princípio baseado no fenômeno de dispersão inerente às fibras ópticas permite o monitoramento contínuo e distribuído de grandezas físicas ao longo da fibra, sem a necessidade de substâncias ou estruturas de detecção adicionais serem adicionadas à fibra.. Este princípio determina que seu monitoramento seja um método contínuo de aquisição de informações distribuídas ao longo da fibra óptica, e pode medir distâncias maiores. No entanto, o princípio físico determina que sua precisão geral será afetada por fatores como sinais dispersos fracos e ruído.
Sistema de detecção de temperatura de grade de fibra Bragg: Funciona com base no princípio de que mudanças de temperatura causam alterações no comprimento de onda de Bragg da rede de Bragg de fibra. Esta mudança de comprimento de onda é muito precisa, e as mudanças de temperatura podem ser percebidas medindo o comprimento de onda ou mudanças espectrais da luz refletida. O componente principal, grade Bragg de fibra, é uma estrutura periódica de mudança de índice de refração fabricada artificialmente em fibras ópticas. É precisamente esta estrutura que produz padrões de reflexão específicos para a luz e é significativamente afetada pela temperatura.. O princípio da modulação do comprimento de onda da reflexão da luz com base em estruturas ópticas específicas permite que os sensores tenham alta precisão e estabilidade, e pode ser integrado com outros sistemas ópticos para obter detecção de maior sensibilidade. No entanto, devido aos requisitos de complexidade e estabilidade da fabricação de estruturas de grade, o sistema pode enfrentar certas limitações de aplicação em termos de custos de produção em grande escala ou ambientes agressivos (onde o comprimento de onda de Bragg é afetado por fatores externos e há risco de desvio não induzido pela temperatura).

2、 Comparação de complexidade estrutural

Sistema de detecção de temperatura de fibra óptica fluorescente: A estrutura é relativamente simples. Consiste principalmente em três partes: sonda (fibra multimodo e material fluorescente superior), fibra de transmissão, e demodulador de sinal. Substâncias fluorescentes existem apenas no topo da fibra óptica, receber diretamente a luz de excitação da fibra de transmissão e transmitir a fluorescência excitada para o demodulador através da fibra. Este tipo de estrutura de dispositivo é relativamente simples e funcionalmente claro, com modularidade clara entre diferentes peças e um processo de fabricação simples e direto. Embora também envolva a integração de substâncias fluorescentes e sua fixação nas extremidades das fibras, a complexidade geral não é alta. O processo de produção em larga escala é relativamente fácil de controlar, tem boa compatibilidade, e pode ser combinado de forma flexível com diferentes sondas para uso. É conveniente organizar sondas para medição em vários ambientes simples ou complexos.
Sistema distribuído de detecção de fibra óptica: estruturalmente mais complexo. O sistema construiu um sistema multifuncional de detecção e análise em torno de redes de fibra óptica. Desde a seleção e colocação das próprias fibras ópticas (considerando as diferenças nas propriedades da fibra em diferentes ambientes, incluindo o uso de cabos ópticos de comunicação comuns e outros métodos de utilização de recursos), à instalação distribuída de vários módulos de posicionamento e análise de áreas de detecção e monitoramento ao longo dos cabos de fibra óptica. Não inclui apenas geração e transmissão de sinais básicos, mas também envolve detecção complexa de sinais ópticos, demodulação e análise de sinal de onda óptica sob a influência de várias quantidades físicas. Por exemplo, módulos de caminho óptico que requerem processamento de divisão e interferência, bem como peças complexas de processamento de sinais eletrônicos que envolvem processamento DSP de alta velocidade e análise de sinais de vibração para obter posicionamento preciso e julgamento de eventos, vários módulos funcionais em todo o sistema de rede trabalham juntos para obter monitoramento e análise distribuídos de várias grandezas físicas, como temperatura e tensão, em longas distâncias entre regiões. Portanto, a complexidade estrutural é relativamente alta. Uma vez que ocorre uma falha ou degradação de desempenho em um determinado link desta estrutura, o processo de solução de problemas e reparo é relativamente complicado, mas uma vez construído com sucesso, pode desempenhar uma poderosa função de monitoramento distribuído.
Sistema de detecção de temperatura de grade de fibra Bragg: A estrutura é de complexidade moderada. O núcleo é o componente da grade de fibra óptica, e a própria produção de grades de fibra óptica requer processos especializados, como fotolitografia. No entanto, em comparação com sistemas de detecção de fibra óptica distribuída, sua estrutura é relativamente simples porque não requer mecanismos complexos de processamento multiponto de monitoramento distribuído. No entanto, ao formar um sistema completo de detecção de temperatura, também é necessário cooperar com uma fonte de luz e dispositivos para processar e analisar a luz refletida (como câmeras CCD, processadores de sinal, e outros equipamentos usados ​​para coletar e processar mudanças de sinal de luz com base na reflexão da grade para obter informações de temperatura). Além disso, ao construir um sistema de controle de temperatura, é necessário adicionar componentes como módulos de controle e atuadores para alcançar funções gerais de controle. Embora o número de componentes não seja tão numeroso quanto o dos sistemas de detecção de fibra óptica distribuídos, a estrutura geral requer correspondência precisa e trabalho colaborativo entre componentes ópticos relacionados à rede de Bragg de fibra e controle de circuito auxiliar, detecção, e outros links. Existem também certos requisitos de complexidade durante a integração e depuração do sistema.

3、 Comparação de indicadores de desempenho

Sistema de detecção de temperatura de fibra óptica fluorescente:
Precisão de medição: A precisão da medição do sistema pode ser ajustada de acordo com diferentes necessidades, e a faixa de precisão comumente usada cobre ± 0.05 ℃ – ± 1 ℃. Produtos diferentes, cenários de aplicação, etc.. adotará diferentes níveis de precisão, mas no geral, pode atender às necessidades de muitas indústrias e alguns cenários especiais dentro de uma determinada faixa. No entanto, sua precisão ainda depende relativamente de fatores como a estabilidade da substância fluorescente e o grau de otimização do algoritmo de medição. Comparado com sensores de grade de Bragg de fibra, pode haver uma lacuna de 1 no campo de alta precisão.
Faixa de medição: A faixa de medição de temperatura é relativamente ampla, dividido em quatro seções: -40 ℃ -+80 ℃- 40℃ – +250℃；- 40℃ – +400℃；+ 20 ℃ -+60 ℃ (médico), capaz de se adaptar aos requisitos da faixa de temperatura, de frio a alta temperatura, desde ambientes civis comuns até ambientes médicos e de saúde especiais, e muitos outros cenários de uso.
Desempenho anti-interferência: Forte capacidade de interferência anti-eletromagnética. Devido ao isolamento elétrico da própria fibra óptica e ao fato de a luminescência interna e o princípio de detecção de substâncias fluorescentes não estarem relacionados à interferência eletromagnética, ele ainda pode funcionar de forma estável mesmo em ambientes de alta tensão e campos eletromagnéticos complexos (como monitoramento de temperatura de equipamentos próximos a equipamentos de alta tensão dentro de subestações de energia). Ao mesmo tempo, a sonda totalmente de fibra óptica pode se adaptar a vários ambientes corrosivos porque não corrói nenhuma peça metálica. Esta vantagem anti-interferência também o torna altamente adaptável a diferentes aplicações elétricas., magnético, e ambientes químicos, como medir a temperatura do material dentro de oficinas químicas.
Sistema distribuído de detecção de fibra óptica:
Precisão de medição: Em termos de precisão, é relativamente limitado devido aos seus mecanismos físicos complexos, como espalhamento Raman e Brillouin, bem como vários fatores, como ruído ambiental e mudanças no desempenho da fibra. Na medição de temperatura, embora o monitoramento de longa distância e em grande escala possa ser alcançado, a precisão é relativamente baixa em comparação com sensores de temperatura especializados de alta precisão. Por exemplo, no monitoramento de segurança de oleodutos de longa distância, o principal requisito para a precisão da temperatura é detectar uma ampla gama de anomalias de temperatura, e o requisito de precisão absoluta da precisão numérica da temperatura não é uma condição necessária.
Faixa de medição: Pode ter uma ampla faixa de adaptabilidade no monitoramento de temperatura e deformação, mas os valores específicos dependem frequentemente de vários factores, tais como o tipo de fibra óptica, a fonte de luz usada no sistema, e o dispositivo de detecção. Por exemplo, pode ser usado para monitorar deformações estruturais e deformações de temperatura causadas por parâmetros relevantes em ambientes industriais que variam de temperatura ambiente a uma determinada temperatura alta ou baixa.
Desempenho anti-interferência: A capacidade de resistir à interferência eletromagnética é uma vantagem importante, pois pode funcionar em ambientes de forte campo eletromagnético sem interferência. Ao mesmo tempo, a própria fibra óptica é um meio passivo de detecção e transmissão, para que possa trabalhar com segurança em algumas áreas perigosas (como minas subterrâneas de carvão para monitorar estruturas de túneis e temperatura para evitar explosões de gás e outros perigos, sem riscos elétricos, como faíscas elétricas). No entanto, relativamente falando, é mais sensível a danos à própria fibra ou a interferências ambientais (como alongamento e flexão excessivos da fibra, grandes flutuações no ambiente local temperatura ao longo da fibra, e efeitos de medição em sinais dispersos). Embora existam muitos métodos de design para reduzir esse impacto, estabilidade continua a ser um desafio na avaliação de desempenho.

Sistema de detecção de temperatura de grade de fibra Bragg:

Precisão de medição: Possui alta precisão de medição, que se baseia no princípio da modulação de temperatura extremamente precisa do comprimento de onda da rede de Bragg de fibra. Por exemplo, pode demonstrar suas vantagens em cenários que exigem alta precisão, como equipamentos de precisão e monitoramento de temperatura de pequenas áreas dentro de organismos vivos. Pode alcançar detecção de sensibilidade ultra-alta em nível sub milikelvin, e fornecer dados precisos no monitoramento de temperatura de instrumentos e equipamentos de precisão, bem como cenários de detecção onde as mudanças de temperatura são extremamente sutis na área biomédica.
Faixa de medição: Embora possa atender às necessidades em muitos cenários, representa desafios significativos para a estabilidade de materiais ópticos e estruturas de grade em condições extremas de temperatura alta ou baixa, e sua faixa de medição não é tão ampla quanto a dos sistemas de detecção de temperatura de fibra fluorescente. No entanto, fabricação especial e design otimizado para diferentes redes de fibra Bragg podem expandir parcialmente a faixa de medição para atender às necessidades de mais tipos de cenários.
Desempenho anti-interferência: Forte capacidade de interferência anti-eletromagnética, devido à sua corrente que não requer conexão externa e princípio de medição de reflexão óptica estável, é menos afetado por interferência eletromagnética externa. Capaz de monitorar a estabilidade da temperatura em ambientes industriais normais, ambientes eletrônicos de equipamentos médicos, e alguns ambientes de pesquisa científica básica onde coexistem vários dispositivos eletromagnéticos. No entanto, devido à sua estrutura relativamente mais precisa, redes de Bragg de fibra podem afetar seu desempenho de medição sob algumas condições externas (como impacto físico significativo ou tensão que pode danificar a estrutura da grade). No entanto, em circunstâncias normais, desde que sejam evitados riscos óbvios de danos físicos, a capacidade anti-interferência geral é forte.

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