Nguyên lý và ứng dụng của cảm biến sợi quang phân tán-INNO

Trong những năm gần đây, Công nghệ cảm biến sợi quang đã phát triển nhanh chóng và nhận được ngày càng nhiều sự quan tâm, dần trở thành một ngành công nghệ ứng dụng cáp quang lớn khác sau sự phát triển của ngành truyền thông cáp quang. Trong số đó, Cảm biến sợi quang phân tán hiện đang là một trong những chủ đề nghiên cứu nóng cả trong nước và quốc tế.

Đo lường cảm biến sợi quang phân tán là công nghệ sử dụng các đặc tính liên tục không gian một chiều của sợi quang để đo lường. Sợi quang đóng vai trò vừa là phần tử cảm biến vừa là phần tử truyền dẫn, cho phép đo liên tục các thông số môi trường được phân bổ dọc theo toàn bộ chiều dài của sợi, trong khi thu được trạng thái phân bố không gian và thông tin thời gian của dữ liệu đo được. Cáp quang phân tán Công nghệ cảm biến chủ yếu bao gồm công nghệ phản xạ miền thời gian quang học và công nghệ phản xạ miền tần số dựa trên tán xạ Raman sợi hoặc tán xạ Brillouin (R/B OTDR/OFDR), công nghệ phản xạ miền thời gian quang phân cực dựa trên tán xạ Rayleigh sợi (P-OTDR), công nghệ giao thoa quang học đường dài, và công nghệ ghép kênh cách tử Bragg sợi phân tán gần như.

Nguyên tắc của Cảm biến sợi quang phân tán Công nghệ

Công nghệ cảm biến sợi quang phân tán dựa trên tán xạ ngược

Khi sóng ánh sáng lan truyền trong sợi quang, chúng tạo ra ánh sáng tán xạ ngược, bao gồm cả tán xạ Rayleigh, tán xạ Raman, và tán xạ Brillouin. Bằng cách phát hiện tán xạ ngược được tạo ra bởi các điểm khác nhau dọc theo cáp quang, mối quan hệ giữa ánh sáng tán xạ ngược và giá trị đo được (chẳng hạn như nhiệt độ, nhấn mạnh, rung động, vân vân.) có thể được sử dụng để đạt được cảm biến nhiệt độ sợi quang phân tán dựa trên tán xạ Raman.

Đo tín hiệu phản xạ Stokes Raman trong sợi quang có thể đạt được sự phân bố cảm biến nhiệt độ. Từ những năm 1980, đã tiến hành nghiên cứu sâu rộng về công nghệ đo miền thời gian quang học của tín hiệu chống tán xạ Stokes Raman cả trong nước và quốc tế.

Bằng cách tận dụng hiệu ứng nhiệt độ của tán xạ ngược sợi quang, trường nhiệt độ tại mỗi điểm trong không gian nơi đặt sợi quang điều chỉnh cường độ ánh sáng tán xạ ngược Stokes trong sợi. Sự phản xạ miền thời gian quang học (OTDR) Công nghệ sợi quang được sử dụng để phát hiện và định vị các điểm nhiệt độ đo được. Công nghệ này có nguyên lý đo đơn giản và chi phí tương đối thấp.. Hiện nay, nó có thể đạt được khoảng cách đo trên 10 km và đã được áp dụng ở một mức độ nhất định. Tuy nhiên, nó đòi hỏi năng lượng cao, nguồn ánh sáng xung ngắn và các thiết bị thu và khuếch đại tín hiệu tốc độ cao, và độ chính xác đo nhiệt độ cũng như độ phân giải không gian của nó bị giới hạn bởi hiệu suất và giá thành của thiết bị.

Trong những năm gần đây, công nghệ phản xạ miền tần số quang (OFDR) cũng đã trải qua sự phát triển nhanh chóng. Công nghệ OFDR sử dụng tia laser liên tục được điều chế công suất làm nguồn sáng, nên công suất tán xạ Raman ngược gần như 2000 cao hơn gấp nhiều lần so với công nghệ OTDR trong cùng điều kiện sự cố. Mặc dù tín hiệu được điều chế ở tốc độ cao, Dải tần hẹp và dễ loại bỏ nhiễu thông qua quá trình lọc, có thể cải thiện đáng kể tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm của tín hiệu cảm biến. Nó có lợi thế lớn hơn về độ phân giải không gian, độ chính xác phát hiện, và hiệu suất thời gian thực.

Cảm biến nhiệt độ/căng thẳng sợi quang phân tán dựa trên sự tán xạ Brillouin

Khi sử dụng tia laser liên tục có băng thông hẹp để bơm sợi quang đơn mode, Tán xạ Brillouin là một hiệu ứng phi tuyến chính. Hiệu suất tán xạ của tán xạ Brillouin có thể được mô tả bằng độ lớn của sự dịch chuyển tần số tán xạ Brillouin, liên quan đến tốc độ phonon của môi trường, và tốc độ này phụ thuộc vào nhiệt độ và sức căng. Có thể đạt được nhiệt độ sợi quang phân tán và cảm biến ứng suất bằng cách lấy thông tin về nhiệt độ hoặc ứng suất thông qua phân tích quang phổ và định vị phân bố trường tham số bằng ánh sáng xung.

Công nghệ cảm biến sợi quang phân tán dựa trên tán xạ Brillouin kích thích có độ chính xác và độ phân giải không gian cao để đo các thông số phân tán đơn lẻ như nhiệt độ và ứng suất, và là công nghệ hứa hẹn và đột phá nhất được phát triển trong những năm gần đây. Nó thường áp dụng cấu trúc Pump Probe, được gọi là phân tích miền thời gian quang học Brillouin (BOTDA). Hiện tại, Các công nghệ cảm biến sợi quang phân tán dựa trên tán xạ Brillouin kích thích chủ yếu bao gồm BOTDA dựa trên bơm laser xung, BOTDA dựa trên sóng liên tục tương quan, và BOTDA dựa trên việc bơm laser xung tối.

Cảm biến phân tán dựa trên phản xạ miền thời gian ánh sáng phân cực

Phản ánh miền thời gian phân cực (POTDR) cảm biến là một công nghệ cảm biến mới đạt được cảm biến sợi phân tán bằng cách phát hiện những thay đổi về trạng thái phân cực trong sợi quang. Công nghệ POTDR được phát triển trên nền tảng công nghệ OTDR, và nguyên lý hoạt động của nó là ánh sáng tán xạ Rayleigh ngược trong sợi quang đơn mode được thử nghiệm chứa thông tin bổ sung về trạng thái phân cực thay đổi dọc theo sợi quang.. Bằng cách ghép ánh sáng phân cực tuyến tính vào sợi quang, Tán xạ Rayleigh xảy ra khi các xung ánh sáng được truyền trong sợi quang. Trong quá trình tán xạ, trạng thái phân cực của ánh sáng thay đổi dưới tác động của các thông số bên ngoài trên sợi quang, và sự phân cực của ánh sáng là một hàm của vị trí. Vì thế, bằng cách phát hiện các đặc tính phân cực của ánh sáng tán xạ ngược, có thể thu được sự phân bố theo không gian và thời gian của các đặc tính phân cực trong sợi quang, từ đó thu được phân bố trường đo được. Công nghệ cảm biến sợi quang phân tán có độ chính xác đo tuyệt vời, độ tin cậy, và đặc tính đo động, và vốn đã an toàn và dễ dàng lắp đặt trong kỹ thuật. Vì thế, nó được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật dân dụng, hàng không, quyền lực, hóa dầu, y tế và các lĩnh vực khác.

1. Ứng dụng trong kết cấu công trình dân dụng

Công nghệ cảm biến sợi quang phân tán được sử dụng rộng rãi trong việc phát hiện an toàn các công trình xây dựng dân dụng như cầu, đo biến dạng đá, đo đường và địa điểm, và giám sát an ninh vành đai. Nó có thể cung cấp dữ liệu quan trọng để theo dõi tốc độ, khả năng chịu tải, và loại phương tiện vận chuyển. Độ chính xác đo của loại cảm biến này có thể đạt tới một số mức độ vi mô, với độ tin cậy tốt, và có thể đạt được phép đo động. Bằng cách sử dụng nhúng phân tán, nó còn có thể theo dõi tình trạng sức khỏe của toàn bộ tòa nhà, từ đó ngăn ngừa sự xuất hiện của tai nạn kỹ thuật và giao thông.

2. Ứng dụng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ

Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, An toàn bay là vấn đề được quan tâm nhiều. Cảm biến sợi quang có ưu điểm là kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, và độ nhạy cao. Công nghệ cảm biến sợi quang phân tán đã được sử dụng thành công để thử nghiệm không phá hủy trong lĩnh vực hàng không vũ trụ ngay từ khi 1988. Việc nhúng các cảm biến sợi quang vào máy bay hoặc cấu trúc tháp phóng để tạo thành mạng cảm biến thông minh phân tán có thể cho phép giám sát thời gian thực về hiệu suất cơ học bên trong và môi trường bên ngoài của máy bay và tháp phóng. Boeing đã tiến hành rất nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực này. Hiện tại, Công nghệ cảm biến sợi quang phân tán có thể được sử dụng để đạt được khả năng giám sát độ căng và dịch chuyển ở cánh máy bay, cánh, trục ổn định, thanh hỗ trợ, và các địa điểm khác, cũng như đo nhiệt độ vận hành trực tuyến theo thời gian thực tại các điểm kết nối như động cơ và mạch điện.

3. Ứng dụng trong ngành đóng tàu

Công nghệ cảm biến sợi quang cũng được ứng dụng rộng rãi trong ngành đóng tàu, chẳng hạn như giám sát biến dạng tại các vị trí quan trọng của tàu, đánh giá thiệt hại, và cảnh báo sớm trong điều kiện quá tải. Các khiếm khuyết về kết cấu của tàu thường ảnh hưởng đến tính năng an toàn của tàu. Hệ thống giám sát tình trạng kết cấu quy mô lớn dựa trên công nghệ cảm biến sợi quang phân tán có thể theo dõi tình trạng sức khỏe của tàu theo thời gian thực, từ đó ngăn ngừa tai nạn xảy ra. Ứng dụng quy mô lớn công nghệ cảm biến sợi quang để phát hiện hư hỏng theo thời gian thực trên tàu và tàu ngầm.

4. Ứng dụng trong ngành điện

Việc mở rộng nhanh chóng lưới điện và liên tục cải thiện cấp điện áp đã đặt ra yêu cầu cao hơn về độ tin cậy và vận hành an toàn của các thiết bị điện.. Tuy nhiên, công nghệ phát hiện điện áp cao không thể theo kịp sự phát triển của tình hình, và thiết bị phát hiện thông thường không còn có thể đáp ứng được nhu cầu hiện tại. Hiện tại, Cảm biến sợi quang phân tán là công nghệ phát hiện lý tưởng và có ứng dụng quan trọng trong việc giám sát an toàn hệ thống điện cao thế. Ví dụ, nó có thể được sử dụng để theo dõi nhiệt độ cáp và khả năng mang dòng của dây dẫn cáp. cảm biến nhiệt độ sợi quang có thể được sử dụng để theo dõi nhiệt độ bề mặt của đường truyền đường dài trong thời gian thực, tính toán tải trọng cho phép và khả năng mang dòng của dây dẫn nhiệt độ, và cung cấp các giải pháp toàn diện, hiệu quả cho việc giám sát sự cố và quản lý phụ tải đường dây truyền tải, đảm bảo an toàn đường dây truyền tải, cải thiện việc sử dụng tài sản, phát hiện các lỗi tiềm ẩn, và đạt được bảo trì phòng ngừa.

5. Ứng dụng trong ngành hóa dầu

Rò rỉ là lỗi chính trong quá trình vận hành đường ống dẫn dầu, thường dẫn đến tổn thất lớn. Vì thế, Phát hiện rò rỉ đường ống dẫn dầu là một vấn đề quan trọng cần được giải quyết cấp bách trong ngành dầu khí. Bằng cách sử dụng các cảm biến được lắp đặt gần đường ống, tín hiệu áp suất và rung động được tạo ra bởi các sự cố như rò rỉ, công trình cơ khí gần đó, và thiệt hại về người có thể được gánh chịu. Hơn nữa, rò rỉ đường ống có thể được phát hiện và định vị thông qua các công nghệ liên quan đến cảm biến. Công nghệ cảm biến sợi quang phân tán rất phù hợp để phát hiện rò rỉ đường ống ở khoảng cách xa do khả năng thu được thông tin phân bố không gian và thời gian liên tục của trường vật lý đo được. Ngoài ra, cảm biến sợi quang phân tán Công nghệ này cũng có thể được sử dụng để theo dõi tình trạng biến dạng và uốn cong của đường ống áp suất cao trong thời gian thực..

6. Ứng dụng trong y học

Cảm biến sợi quang mềm, nhỏ gọn, với mức độ tự do cao, cách nhiệt, và không bị ảnh hưởng bởi tần số vô tuyến và nhiễu vi sóng, với độ chính xác đo cao. Chúng có lợi thế rõ ràng trong các ứng dụng y tế, chẳng hạn như phát hiện mạch máu của con người, chỉnh sửa phẫu thuật của con người, và đo trường siêu âm. Nội soi sợi quang giúp kiểm tra hầu hết các bộ phận của cơ thể con người, và ca phẫu thuật không gây đau đớn, khó chịu cho bệnh nhân. Trong số đó, Nội soi mạch máu sợi quang đã được ứng dụng trong đặt ống thông tim ở người. Nội soi sợi quang không chỉ được sử dụng để chẩn đoán, nhưng hiện cũng đang bước vào lĩnh vực điều trị, chẳng hạn như phẫu thuật cắt polyp. Công nghệ xử lý bằng lò vi sóng đang là phương pháp điều trị hiệu quả hiện nay, nhưng nhiệt độ của công nghệ xử lý nhiệt bằng vi sóng rất khó nắm bắt, Và cảm biến nhiệt độ sợi quang có thể theo dõi chính xác nhiệt độ hiệu quả của công nghệ xử lý nhiệt bằng vi sóng. Việc nghiên cứu và ứng dụng cảm biến nhiệt độ sợi quang trong điều trị ung thư ngày càng nổi bật.