Принцип и применение распределенных оптоволоконных датчиков-ИННО

В последние годы, Технология оптоволоконных датчиков быстро развивалась и привлекала все большее внимание, постепенно становится еще одной крупной отраслью применения волоконно-оптических технологий после развития отрасли волоконно-оптической связи.. Среди них, распределенное оптоволоконное зондирование в настоящее время является одной из горячих тем исследований как внутри страны, так и за рубежом..

Распределенное оптоволоконное зондирование — это технология, которая использует для измерения одномерные характеристики пространственной непрерывности оптических волокон.. Оптоволокно служит как чувствительным элементом, так и передающим элементом., позволяющий непрерывно измерять параметры окружающей среды, распределенные по всей длине волокна, при получении статуса пространственного распределения и временной информации измеренных данных. Распределенная оптоволокно Сенсорная технология в основном включает в себя оптическое отражение во временной области и технологию отражения в частотной области, основанную на комбинационном рассеянии волокна или рассеянии Бриллюэна. (Р/Б OTDR/OFDR), технология поляризованного оптического отражения во временной области, основанная на рэлеевском рассеянии волокна (P-OTDR), технология оптической интерференции на больших расстояниях, и технология квазираспределенного оптоволоконного мультиплексирования на решетках Брэгга.

Принципы Распределенное оптоволоконное зондирование Технология

Технология распределенного оптоволоконного зондирования на основе обратного рассеяния

Когда световые волны распространяются по оптическим волокнам, они генерируют обратно рассеянный свет, включая рэлеевское рассеяние, Комбинационное рассеяние, и рассеяние Бриллюэна. Путем обнаружения обратного рассеяния, создаваемого различными точками оптоволоконного кабеля., связь между обратно рассеянным светом и измеренным (например, температура, стресс, вибрация, и т. д.) может использоваться для распределенного оптоволоконного измерения температуры на основе комбинационного рассеяния света.

Измерение сигнала антистоксового комбинационного отражения в оптические волокна могут обеспечить распределенное измерение температуры. С 1980-х годов, были проведены обширные исследования в области оптической технологии измерения сигналов антистоксового комбинационного рассеяния во временной области как внутри страны, так и за рубежом..

Используя температурный эффект обратного рассеяния оптоволокна, температурное поле в каждой точке пространства, где расположено волокно, модулирует интенсивность антистоксового обратного рассеяния света в волокне. Оптическое отражение во временной области (рефлектометр) технология оптоволокна используется для обнаружения и определения местоположения точек измерения температуры. Эта технология имеет простой принцип измерения и относительно низкую стоимость.. В настоящее время, он может достичь расстояния измерения более 10 км и был применен в определенной степени. Однако, это требует высокой мощности, короткоимпульсные источники света и высокоскоростные устройства усиления и сбора сигналов, точность измерения температуры и пространственное разрешение ограничены производительностью и стоимостью устройства..

В последние годы, Технология отражения в оптической частотной области (ОФДР) также пережил быстрое развитие. В технологии OFDR в качестве источника света используется непрерывный лазер с модуляцией мощности., поэтому мощность обратного комбинационного рассеяния почти равна 2000 раз выше, чем у технологии OTDR при тех же условиях происшествия. Хотя сигнал модулируется на высокой скорости, полоса частот узкая и шум легко удалить с помощью фильтрации, что может значительно улучшить соотношение сигнал/шум сенсорного сигнала. Он имеет большие преимущества в пространственном разрешении., точность обнаружения, и производительность в реальном времени.

Распределенное оптоволоконное измерение температуры/напряжения на основе рассеяния Бриллюэна

При использовании непрерывного лазера с узкой шириной линии для накачки одномодовых волокон, Рассеяние Бриллюэна - основной нелинейный эффект.. Характеристики рассеяния Бриллюэна можно описать величиной сдвига частоты рассеяния Бриллюэна., что связано со скоростью фононов среды, и эта скорость зависит от температуры и деформации. Распределенное оптоволоконное измерение температуры и напряжения может быть достигнуто путем получения информации о температуре или напряжении посредством спектрального анализа и определения распределения поля параметров с помощью импульсного света..

Технология распределенного оптоволоконного зондирования, основанная на вынужденном рассеянии Бриллюэна, обладает высокой точностью и пространственным разрешением для измерения отдельных распределенных параметров, таких как температура и напряжение., и является самой перспективной и прорывной технологией, разработанной за последние годы.. Обычно он имеет структуру зонда насоса., известный как оптический анализ Бриллюэна во временной области (БОТДА). В настоящий момент, Технологии распределенного волоконно-оптического зондирования, основанные на вынужденном рассеянии Бриллюэна, в основном включают BOTDA на основе импульсной лазерной накачки., BOTDA на основе коррелированных непрерывных волн, и BOTDA на основе темноимпульсной лазерной накачки.

Распределенное зондирование на основе отражения поляризованного света во временной области

Поляризованное отражение во временной области (ПОДР) Sensing — это новая технология обнаружения, которая обеспечивает распределенное распознавание волокон путем обнаружения изменений состояния поляризации в оптических волокнах.. Технология POTDR разработана на основе технологии OTDR., и принцип его работы заключается в том, что свет обратного рэлеевского рассеяния в тестируемом одномодовом волокне содержит дополнительную информацию об изменении состояния поляризации вдоль волокна.. Путем объединения линейно поляризованного света в оптоволокно., Рэлеевское рассеяние происходит при передаче световых импульсов по волокну.. В процессе рассеяния, состояние поляризации света меняется при воздействии внешних параметров на волокно, а поляризация света является функцией положения. Поэтому, путем обнаружения поляризационных характеристик обратно рассеянного света, можно получить временное и пространственное распределение поляризационных характеристик в оптоволокне, тем самым получив измеренное распределение поля. Технология распределенного оптоволоконного зондирования обеспечивает превосходную точность измерений., надежность, и динамические измерительные характеристики, и по своей сути безопасен и прост в проектировании. Поэтому, широко используется в гражданском строительстве, авиация, власть, нефтехимический, медицина и другие области.

1. Применение в инженерных сооружениях

Технология распределенного оптоволоконного зондирования широко используется для обнаружения безопасности гражданских инженерных сооружений, таких как мосты., измерение деформации горных пород, измерение дорог и площадок, и мониторинг охраны периметра. Он может предоставить важные данные для мониторинга скорости, грузоподъемность, и тип транспортного средства. Точность измерения этого типа датчика может достигать нескольких уровней микродеформаций., с хорошей надежностью, и может достичь динамических измерений. Используя распределенное встраивание, он также может контролировать состояние здоровья всего здания, предотвращая тем самым возникновение инженерных и дорожно-транспортных происшествий.

2. Приложения в аэрокосмической области

В области аэрокосмической промышленности, безопасность полетов является очень важным аспектом. Волоконно-оптические датчики имеют преимущества небольшого размера., легкий вес, и высокая чувствительность. Технология распределенного оптоволоконного зондирования успешно использовалась для неразрушающего контроля в аэрокосмической области еще 1988. Встраивание оптоволоконных датчиков в конструкции самолета или стартовой башни для формирования распределенной интеллектуальной сенсорной сети может обеспечить мониторинг в режиме реального времени внутренних механических характеристик и внешней среды самолета и стартовой башни.. Компания Boeing провела множество исследований в этой области.. В настоящий момент, Технология распределенного оптоволоконного зондирования может использоваться для мониторинга деформации и смещения крыльев самолета., крылья, валы стабилизатора, опорные стержни, и другие локации, а также онлайн-измерение рабочих температур в точках подключения, таких как двигатели и электрические цепи, в режиме реального времени..

3. Применение в судостроении

Технология оптоволоконных датчиков также широко используется в судостроительной промышленности., например, мониторинг деформации в критических точках корабля, оценка ущерба, и раннее предупреждение в условиях перегрузки. Конструктивные дефекты судов часто влияют на их безопасность.. Крупномасштабная система мониторинга состояния конструкций, основанная на технологии распределенного оптоволоконного зондирования, может отслеживать состояние здоровья корабля в режиме реального времени., тем самым предотвращая несчастные случаи. Широкомасштабное применение технологии оптоволоконных датчиков для обнаружения повреждений кораблей и подводных лодок в режиме реального времени..

4. Применение в энергетике

Быстрое расширение электросети и постоянное улучшение уровней напряжения выдвинули более высокие требования к надежности и безопасной эксплуатации энергетического оборудования.. Однако, технология обнаружения высокого напряжения не успевает за развитием ситуации, и обычное оборудование обнаружения больше не может удовлетворить текущие потребности. В настоящий момент, распределенные оптоволоконные датчики являются идеальной технологией обнаружения и имеют важное применение в мониторинге безопасности высоковольтных энергетических систем.. Например, его можно использовать для контроля температуры кабеля и допустимой нагрузки по току жилы кабеля.. оптоволоконные датчики температуры может использоваться для мониторинга температуры поверхности линий электропередачи на большие расстояния в режиме реального времени., рассчитать допустимую нагрузку и токовую нагрузку по температуре проводника, и предоставить комплексные и эффективные решения для мониторинга неисправностей и управления нагрузкой на линиях электропередачи., обеспечение безопасности линий электропередачи, улучшение использования активов, обнаружение потенциальных неисправностей, и проведение профилактического обслуживания.

5. Применение в нефтехимической промышленности

Утечка – основная неисправность в работе нефтепроводов, часто приводит к огромным потерям. Поэтому, Обнаружение утечек нефтепроводов является важной проблемой, требующей срочного решения в нефтяной отрасли.. С помощью датчиков, установленных вблизи трубопроводов, сигналы давления и вибрации, генерируемые такими инцидентами, как утечки, рядом механическое сооружение, и человеческий ущерб можно компенсировать. Более того, утечки в трубопроводах могут быть обнаружены и локализованы с помощью сенсорных технологий. Технология распределенного оптоволоконного зондирования очень подходит для обнаружения утечек в трубопроводах на больших расстояниях благодаря своей способности получать непрерывную информацию о пространственном и временном распределении измеряемого физического поля.. Кроме того, распределенное оптоволоконное зондирование Технология также может использоваться для мониторинга состояния деформации и изгиба трубопроводов высокого давления в режиме реального времени..

6. Приложения в медицине

Оптоволоконные датчики мягкие, компактный, с высокой степенью свободы, изоляция, и не подвержены влиянию радиочастотных и микроволновых помех, с высокой точностью измерения. Они имеют очевидные преимущества в медицинском применении., например, обнаружение кровеносных сосудов человека, хирургическая коррекция человека, и ультразвуковое измерение поля. Оптоволоконная эндоскопия позволяет обследовать практически все части человеческого тела., и операция не причиняет боли или дискомфорта пациентам. Среди них, волоконно-оптическая сосудистая эндоскопия применяется при катетеризации сердца человека. Оптоволоконная эндоскопия используется не только для диагностики., но в настоящее время также вступает в область лечения, например, операция полипэктомия. Технология обработки микроволновым нагревом в настоящее время является эффективным способом лечения., но температуру технологии обработки микроволновым нагревом трудно понять, и оптоволоконные датчики температуры может точно контролировать эффективную температуру технологии обработки микроволновым нагревом. Исследования и применение оптоволоконных датчиков температуры в лечении рака становятся все более популярными..