O princípio e aplicação de sensores distribuídos de fibra óptica-INNO

Nos últimos anos, a tecnologia de detecção de fibra óptica desenvolveu-se rapidamente e recebeu cada vez mais atenção, gradualmente se tornando outra grande indústria de tecnologia de aplicação de fibra óptica após o desenvolvimento da indústria de comunicação de fibra óptica. Entre eles, o sensoriamento distribuído de fibra óptica é atualmente um dos principais tópicos de pesquisa tanto nacional quanto internacionalmente.

A medição de detecção de fibra óptica distribuída é uma tecnologia que utiliza as características de continuidade espacial unidimensionais das fibras ópticas para medição. A fibra óptica serve tanto como elemento de detecção quanto como elemento de transmissão, permitindo a medição contínua de parâmetros ambientais distribuídos ao longo de todo o comprimento da fibra, ao obter o status de distribuição espacial e informações temporais dos dados medidos. Fibra óptica distribuída a tecnologia de detecção inclui principalmente reflexão óptica no domínio do tempo e tecnologia de reflexão no domínio da frequência baseada em espalhamento Raman de fibra ou espalhamento Brillouin (R/B OTDR/OFDR), tecnologia de reflexão óptica polarizada no domínio do tempo baseada em espalhamento Rayleigh de fibra (P-OTDR), tecnologia de interferência óptica de longa distância, e tecnologia de multiplexação de grade de Bragg de fibra quase distribuída.

Princípios de Detecção Distribuída de Fibra Óptica Tecnologia

Tecnologia de detecção distribuída de fibra óptica baseada em retroespalhamento

Quando as ondas de luz se propagam em fibras ópticas, eles geram luz retroespalhada, incluindo espalhamento Rayleigh, Dispersão Raman, e dispersão de Brillouin. Ao detectar o retroespalhamento gerado por vários pontos ao longo do cabo de fibra óptica, a relação entre a luz retroespalhada e a medida (como temperatura, estresse, vibração, etc.) pode ser usado para obter detecção de temperatura de fibra óptica distribuída com base no espalhamento Raman.

Medindo o sinal de reflexão anti-Stokes Raman em fibras ópticas podem alcançar distribuição detecção de temperatura. Desde a década de 1980, extensa pesquisa foi conduzida sobre a tecnologia de medição óptica no domínio do tempo de sinais de espalhamento anti-Stokes Raman, tanto nacional quanto internacionalmente.

Utilizando o efeito de temperatura do retroespalhamento de fibra óptica, o campo de temperatura em cada ponto do espaço onde a fibra está localizada modula a intensidade da luz retroespalhada anti-Stokes na fibra. A reflexão óptica no domínio do tempo (OTDR) a tecnologia da fibra óptica é usada para detectar e localizar os pontos de temperatura medidos. Esta tecnologia tem um princípio de medição simples e custo relativamente baixo. Atualmente, pode atingir uma distância de medição de mais de 10 km e foi aplicado até certo ponto. No entanto, requer alta potência, fontes de luz de pulso curto e dispositivos de amplificação e aquisição de sinal de alta velocidade, e sua precisão de medição de temperatura e resolução espacial são limitadas pelo desempenho e custo do dispositivo.

Nos últimos anos, tecnologia de reflexão de domínio de frequência óptica (OFDR) também experimentou um rápido desenvolvimento. A tecnologia OFDR usa um laser contínuo modulado em potência como fonte de luz, então o poder de dispersão Raman para trás é quase 2000 vezes maior do que a da tecnologia OTDR sob as mesmas condições de incidente. Embora o sinal seja modulado em alta velocidade, a banda de frequência é estreita e fácil de remover ruído por meio de filtragem, o que pode melhorar significativamente a relação sinal-ruído do sinal de detecção. Tem maiores vantagens na resolução espacial, precisão de detecção, e desempenho em tempo real.

Detecção distribuída de temperatura/estresse por fibra óptica baseado na dispersão de Brillouin

Ao usar laser contínuo de largura de linha estreita para bombear fibras monomodo, A dispersão de Brillouin é um importante efeito não linear. O desempenho de espalhamento do espalhamento Brillouin pode ser descrito pela magnitude da mudança de frequência do espalhamento Brillouin, que está relacionado à taxa de fônons do meio, e esta taxa depende da temperatura e da tensão. A detecção distribuída de temperatura e tensão de fibra óptica pode ser alcançada obtendo informações de temperatura ou tensão por meio de análise espectral e localizando a distribuição do campo de parâmetros usando luz pulsada.

A tecnologia de detecção distribuída de fibra óptica baseada no espalhamento estimulado de Brillouin possui alta precisão e resolução espacial para medir parâmetros distribuídos únicos, como temperatura e estresse, e é a tecnologia mais promissora e inovadora desenvolvida nos últimos anos. Geralmente adota uma estrutura de sonda de bomba, conhecida como análise óptica de domínio do tempo de Brillouin (BOTDA). Atualmente, tecnologias de detecção de fibra óptica distribuída baseadas no espalhamento estimulado de Brillouin incluem principalmente BOTDA baseado em bombeamento de laser pulsado, BOTDA baseado em ondas contínuas correlacionadas, e BOTDA baseado em bombeamento de laser de pulso escuro.

Detecção distribuída baseada na reflexão de luz polarizada no domínio do tempo

Reflexão polarizada no domínio do tempo (POTDR) detecção é uma nova tecnologia de detecção que alcança detecção de fibra distribuída detectando mudanças no estado de polarização em fibras ópticas. A tecnologia POTDR é desenvolvida com base na tecnologia OTDR, e seu princípio de funcionamento é que a luz de dispersão de Rayleigh reversa na fibra monomodo testada contém informações adicionais sobre a mudança do estado de polarização ao longo da fibra. Ao acoplar luz polarizada linearmente em uma fibra óptica, O espalhamento Rayleigh ocorre quando pulsos de luz são transmitidos na fibra. Durante o processo de dispersão, o estado de polarização da luz muda com a ação de parâmetros externos na fibra, e a polarização da luz é uma função da posição. Portanto, detectando as características de polarização da luz retroespalhada, a distribuição temporal e espacial das características de polarização na fibra óptica pode ser obtida, obtendo assim a distribuição de campo medida. A tecnologia de detecção de fibra óptica distribuída tem excelente precisão de medição, confiabilidade, e características de medição dinâmica, e é inerentemente seguro e fácil de instalar em engenharia. Portanto, é amplamente utilizado na engenharia civil, aviação, poder, petroquímico, medicina e outras áreas.

1. Aplicação em Estruturas de Engenharia Civil

A tecnologia de detecção distribuída de fibra óptica é amplamente utilizada na detecção de segurança de estruturas de engenharia civil, como pontes, medição de deformação de rocha, medição de estradas e locais, e monitoramento de segurança perimetral. Pode fornecer dados importantes para monitorar a velocidade, capacidade de carga, e tipo de veículos de transporte. A precisão da medição deste tipo de sensor pode atingir vários níveis de microdeformação, com boa confiabilidade, e pode alcançar medição dinâmica. Usando incorporação distribuída, também pode monitorar o estado de saúde de todo o edifício, evitando assim a ocorrência de acidentes de engenharia e de trânsito.

2. Aplicações no campo aeroespacial

No campo aeroespacial, a segurança de vôo é um aspecto altamente preocupante. Sensores de fibra óptica têm as vantagens do tamanho pequeno, peso leve, e alta sensibilidade. A tecnologia de detecção distribuída de fibra óptica foi usada com sucesso para testes não destrutivos no campo aeroespacial desde 1988. A incorporação de sensores de fibra óptica em aeronaves ou estruturas de torres de lançamento para formar uma rede de detecção inteligente distribuída pode permitir o monitoramento em tempo real do desempenho mecânico interno e do ambiente externo da aeronave e da torre de lançamento. A Boeing conduziu muitas pesquisas nesta área. Atualmente, tecnologia de detecção de fibra óptica distribuída pode ser usada para obter monitoramento de tensão e deslocamento nas asas de aeronaves, asas, eixos estabilizadores, hastes de suporte, e outros locais, bem como medição on-line em tempo real de temperaturas operacionais em pontos de conexão, como motores e circuitos.

3. Aplicações na Indústria Naval

A tecnologia de detecção de fibra óptica também é amplamente utilizada na indústria de construção naval, como monitoramento de tensão em posições críticas do navio, avaliação de danos, e alerta precoce em condições de sobrecarga. Defeitos estruturais em navios frequentemente afetam seu desempenho em segurança. Um sistema de monitoramento da saúde estrutural em grande escala baseado em tecnologia de detecção de fibra óptica distribuída pode monitorar o estado da saúde do navio em tempo real, evitando assim a ocorrência de acidentes. Aplicação em larga escala de tecnologia de detecção de fibra óptica para detecção em tempo real de danos em navios e submarinos.

4. Aplicações na indústria de energia

A rápida expansão da rede elétrica e a melhoria contínua dos níveis de tensão impuseram requisitos mais elevados para a confiabilidade e operação segura dos equipamentos de energia. No entanto, a tecnologia de detecção de alta tensão não consegue acompanhar o desenvolvimento da situação, e os equipamentos de detecção convencionais não conseguem mais atender às necessidades atuais. Atualmente, sensores distribuídos de fibra óptica são uma tecnologia de detecção ideal e têm aplicações importantes no monitoramento de segurança de sistemas de energia de alta tensão. Por exemplo, ele pode ser usado para monitorar a temperatura do cabo e a capacidade de transporte de corrente do condutor do cabo. sensores de temperatura de fibra óptica pode ser usado para monitorar a temperatura da superfície de linhas de transmissão de longa distância em tempo real, calcular a carga permitida e a capacidade de transporte de corrente da temperatura do condutor, e fornecer soluções abrangentes e eficazes para monitoramento de falhas e gerenciamento de carga de linhas de transmissão, garantindo a segurança das linhas de transmissão, melhorando a utilização de ativos, descobrindo possíveis falhas, e conseguir manutenção preventiva.

5. Aplicações na indústria petroquímica

Vazamento é a principal falha na operação de oleodutos, muitas vezes resultando em enormes perdas. Portanto, a detecção de vazamentos em oleodutos é uma questão importante que precisa ser resolvida urgentemente na indústria do petróleo. Usando sensores instalados perto de tubulações, sinais de pressão e vibração gerados por incidentes como vazamentos, construção mecânica próxima, e danos humanos podem ser detectados. Além disso, vazamentos em tubulações podem ser detectados e localizados por meio de tecnologias relacionadas à detecção. A tecnologia de detecção distribuída de fibra óptica é muito adequada para detecção de vazamentos em tubulações de longa distância devido à sua capacidade de obter informações contínuas de distribuição espacial e temporal do campo físico medido. Além disso, detecção de fibra óptica distribuída a tecnologia também pode ser usada para monitorar o status de deformação e flexão de tubulações de alta pressão em tempo real.

6. Aplicações em Medicina

Sensores de fibra óptica são suaves, compactar, com altos graus de liberdade, isolamento, e não são afetados por interferência de radiofrequência e micro-ondas, com alta precisão de medição. Eles têm vantagens óbvias em aplicações médicas, como detectar vasos sanguíneos humanos, correção cirúrgica humana, e medição de campo ultrassônico. A endoscopia por fibra óptica torna viável examinar quase todas as partes do corpo humano, e a operação não causa dor ou desconforto aos pacientes. Entre eles, endoscopia vascular por fibra óptica tem sido aplicada em cateterismo cardíaco humano. A endoscopia por fibra óptica não é usada apenas para diagnóstico, mas também está atualmente entrando no campo do tratamento, como cirurgia de polipectomia. A tecnologia de tratamento por aquecimento por microondas é atualmente uma forma eficaz de tratamento, mas a temperatura da tecnologia de tratamento de aquecimento por microondas é difícil de entender, e sensores de temperatura de fibra óptica pode monitorar com precisão a temperatura efetiva da tecnologia de tratamento de aquecimento por microondas. A pesquisa e aplicação de sensores de temperatura de fibra óptica no tratamento do câncer são cada vez mais emergentes.