Coneixement

La detecció de fibra òptica converteix una fibra òptica normal en un sensor llarg i continu. En lloc de només transportar dades, la fibra transporta llum les propietats de la qual canvien quan la temperatura, la tensió, la pressió o la vibració actuen sobre el cable. En llegir aquests canvis, un sistema de detecció pot informar del que està passant - i normalment exactamentonestà passant - en distàncies des d'uns pocs metres fins a desenes de quilòmetres. Aquesta guia explica pas a pas com funciona la tecnologia, els tres tipus principals i com es diferencien, on encaixa cadascuna i els límits que val la pena planificar.

Què és la tecnologia de detecció de fibra òptica?

La detecció de fibra òptica és un mètode de mesura que utilitza la pròpia fibra òptica com a element de detecció. Una font de llum llança llum a la fibra; a mesura que la llum viatja, les condicions externes alteren lleugerament la seva intensitat, longitud d'ona, fase, polarització o la forma en què es dispersa dins del vidre. Un instrument a l'extrem de la fibra llegeix aquestes alteracions i les converteix en mesures físiques com ara la temperatura, la tensió o la vibració.

Com que el punt de detecció està fet de vidre i no transporta corrent elèctric, la detecció de fibra òptica és immune a les interferències electromagnètiques i es pot desplegar de manera segura en entorns explosius o químicament agressius - qualitats que importen a canonades, sistemes elèctrics, túnels i ponts on els sensors elèctrics lluiten. La mateixa fibra pot servir tant de sensor com de camí del senyal, cosa que fa que el maquinari de camp sigui senzill. La fibra és normalment un estàndardfibra òptica{0}}únicaper a sistemes de tensió, acústics i Brillouin, mentre que els sistemes de temperatura-només Raman funcionen sovint amb fibra multimode.

Com funciona la tecnologia de detecció de fibra òptica?

Tots els sistemes de detecció de fibra òptica segueixen la mateixa cadena: enviar llum, deixar que l'entorn la modifiqui, llegir la llum que torna i traduir el canvi en una mesura. Aquí teniu el que passa a cada etapa.

1. La llum viatja a través de la fibra

Un làser o una font de banda ampla llança llum - normalment una sèrie de polsos curts - al nucli de la fibra, on la reflexió interna total la manté guiada al llarg del cable. En un sistema de detecció, aquesta llum és la sonda: qualsevol cosa que l'afecti en el camí es converteix en informació.

2. L'entorn canvia la llum

Quan la temperatura, la tensió, la pressió o la vibració actuen sobre una secció de fibra, canvien lleugerament el vidre - la seva longitud, el seu índex de refracció o l'espaiat de les estructures internes. Aquests petits canvis físics canvien una o més propietats de la llum: la seva longitud d'ona, intensitat, fase, polarització o l'espectre de la part que es dispersa cap enrere. La mida del desplaçament és proporcional a la força de l'efecte extern, que és el que fa possible la mesura calibrada.

3. La llum es reflecteix o es dispersa

Part de la llum torna cap a la font. En alguns sensors es reflecteix per una estructura deliberada escrita a la fibra, com una reixa de Bragg de fibra. En els sistemes distribuïts, el vidre en si dispersa un lleuger corrent de llum al llarg de tota la fibra sense components afegits. De qualsevol manera, la llum que retorna porta l'empremta digital de qualsevol cosa que hagi actuat sobre la fibra.

4. Un interrogador llegeix i localitza el senyal

Un instrument anomenat interrogador (o demodulador) mesura la llum que retorna. Per als sistemes distribuïts, també calcula el temps que triga la llum a tornar - la mateixa idea que un reflectòmetre de domini de temps òptic- (OTDR). Com que es coneix la velocitat de la llum a la fibra, el temps d'anada i tornada-indica la ubicació de cada canvi al llarg del cable. A continuació, l'interrogador converteix el canvi òptic en una lectura calibrada de temperatura, tensió o vibració, amb una posició adjunta.

La llum entra, l'entorn deixa la seva empremta en aquesta llum, la llum torna i un interrogador converteix el canvi - i on s'ha produït - en una mesura.

Principals tipus de tecnologies de detecció de fibra òptica

La detecció de fibra òptica normalment s'agrupa en tres famílies en funció de quants punts es poden mesurar al llarg de la fibra i de com es produeix la detecció.

Detecció puntual de fibra òptica

Un sensor puntual mesura una única ubicació. Un element sensor dedicat respon a un paràmetre - temperatura, pressió o acceleració, per exemple - i el disseny és senzill i de cost relativament baix.

L'exemple més comú és elReixa de Bragg de fibra (FBG). Una reixa és una variació periòdica de l'índex de refracció del nucli de la fibra, creada exposant el nucli a un patró d'interferència ultraviolada intensa. La xarxa reflecteix una longitud d'ona específica - la longitud d'ona de Bragg - i deixa passar la resta. Quan la tensió estira la reixa o la calor l'expandeix, l'espaiat canvia i la longitud d'ona reflectida es desplaça; l'interrogador llegeix aquest canvi i el converteix en un valor. A prop de la longitud d'ona de 1550 nm, la longitud d'ona reflectida d'un FBG típic es mou de l'ordre d'un picòmetre per microdeformació d'estirament i diversos picòmetres per grau Celsius d'escalfament. Els programes d'investigació i aeroespacial han caracteritzat aquesta doble sensibilitat en detall, inclòsAvaluacions de la NASA dels sensors de tensió FBG integratsa temperatures elevades. Altres sensors puntuals inclouen giroscopis làser isensors de camp magnètic de fibra-òpticaper a mesures especialitzades.

Detecció de fibra òptica quasi-distribuïda

Un sistema quasi-distribuït connecta diversos sensors puntuals en sèrie al llarg d'una fibra -, per exemple, una cadena de FBG, cadascun reflectint una longitud d'ona lleugerament diferent perquè l'interrogador els pugui diferenciar. Aleshores, una fibra pot informar de temperatura, vibració, pressió o tensió en molts llocs discrets alhora. La compensació-s'incorpora a la física: el nombre de sensors d'una sola fibra està limitat per l'amplada de banda d'origen i la finestra de longitud d'ona que pot ocupar cada xarxa, i la fibra no detecta res en els buits entre els elements. Enfocaments de reixes de fibra-relacionats, com arasistemes de detecció de reixetes de llarg-període, segueixen principis similars amb un comportament espectral diferent.

Detecció de fibra òptica distribuïda

Un sistema distribuït utilitza la fibra nua com a sensor continu, sense cap punt de detecció discret. Es basa en la llum que es dispersa de manera natural dins del vidre i llegeix com canvia aquesta llum dispersa al llarg de tota la seva longitud. Tresmecanismes{0}}de dispersió de llums'utilitzen, cadascun adaptat a diferents paràmetres:

• dispersió de Rayleighés un procés elàstic que no canvia la freqüència de la llum. És el més fort dels tres i la base de la detecció acústica distribuïda i de vibracions (DAS/DVS), on les mesures ràpides d'un sol-trec fan un seguiment de la tensió dinàmica com ara el so i la vibració.
• Dispersió Ramanprodueix llum la intensitat de la qual depèn de la temperatura, cosa que la converteix en la base de la detecció de temperatura distribuïda (DTS).
• Brillouin dispersiócanvia de freqüència amb la tensió i la temperatura, de manera que recolza la detecció distribuïda de la tensió i la temperatura a llargues distàncies.

Com que el sistema pren mostres de tota la fibra en lloc de punts fixos, un sol cable pot oferir milers de posicions de mesura contínues de manera efectiva durant desenes de quilòmetres. Aquesta cobertura és la raó per la qual la detecció distribuïda ha crescut ràpidament per a actius llargs i lineals on un problema podria aparèixer en qualsevol lloc.

Punt vs detecció de fibra òptica quasi-distribuïda vs distribuïda

Les tres famílies responen preguntes diferents. La detecció de punts pregunta "què està passant en aquest lloc?"; quasi-distribuït pregunta "què està passant en aquests llocs coneguts?"; distributed pregunta "què està passant en qualsevol lloc d'aquesta ruta?" La taula següent resumeix les diferències pràctiques.

Aplicacions habituals de la detecció de fibra òptica

• Monitorització de canonades i detecció de fuites.Una fibra col·locada al llarg d'una canonada de petroli, gas o aigua pot marcar una fuita com una anomalia de temperatura local (DTS) i detectar excavacions o-interferències de tercers com a signatura de vibració (DAS) - un enquadrament més precís que la frase solta "petroli i gas" que de vegades s'utilitza per a aquest cas d'ús.
• Seguretat perimetral i fronterera.La detecció distribuïda de vibracions detecta i classifica passos, vehicles, escalada o excavació al llarg d'una línia de tanca o una ruta soterrada, que és la base dedetecció d'intrusions perimetrals de fibra{0}}òptica.
• Monitorització de cable d'alimentació i xarxa.DTS fa un seguiment de la temperatura dels cables{0}}d'alta tensió per gestionar la càrrega i detectar punts calents; per veure el fons, vegeu aquesta visió general decontrol distribuït de la temperatura.
• Detecció d'incendis en túnels i edificis.El perfil continu de la temperatura activa una alarma al mesurador exacte on augmenta la calor, molt abans que un detector de-punt únic respongués.
• Monitorització de la salut estructural.Els FBG i la detecció de tensió distribuïda mesuren la càrrega, la deflexió i l'esquerda en ponts, preses, túnels i grans estructures compostes durant la seva vida útil.

• 

Avantatges i limitacions de la detecció de fibra òptica

Com qualsevol tecnologia de mesura, la detecció de fibra òptica s'adapta molt bé en algunes situacions i una deficient en altres. El fet de posar els dos costats clarament facilita la selecció.

On sobresurt:

• Immune a les interferències electromagnètiques, ja que el punt de detecció és un vidre passiu sense electrònica al camp.
• Segur en entorns explosius o corrosius on els sensors elèctrics són perillosos.
• Un cable pot substituir centenars de sensors discrets i el seu cablejat, i funciona com a ruta de dades.
• Els sistemes distribuïts ofereixen una cobertura contínua amb localització, no només lectures aïllades.

On té límits:

• L'interrogador és la part cara, de manera que les feines curtes d'un sol-punt solen ser més barates amb sensors convencionals.
• "Alta precisió" és condicional. Per als sistemes distribuïts, la resolució espacial, el rang de detecció i la freqüència de mostreig es relacionen entre si, i "distribuït" no significa precisió il·limitada.
• La precisió de posicionament depèn del mètode de detecció, de com s'encamina i s'acobla el cable a l'estructura, la freqüència de mostreig, l'interrogador i l'algoritme d'anàlisi.
• El disseny, la instal·lació i la interpretació necessiten experiència especialitzada.

Com triar el mètode adequat de detecció de fibra òptica

Comenceu des de la pregunta que realment necessiteu respondre i, a continuació, relaciona-la amb un mètode:

• Un punt crític, mesurat amb precisió- un sensor puntual com ara un FBG.
• Un grapat d'ubicacions conegudes en una estructura- una matriu FBG quasi-distribuïda.
• Una ruta llarga on podrien aparèixer problemes a qualsevol lloc- un sistema distribuït: DTS per a temperatura i foc, DAS/DVS per a vibracions i intrusions, Brillouin per a la tensió.

Un cop el mètode estigui clar, compareu paràmetres específics abans de comprar: rang de detecció requerit, resolució espacial, freqüència de mesura (taxa de mostreig), ruta del cable i com es fixarà a l'actiu i compatibilitat de l'interrogador amb la fibra i els sensors que voleu desplegar.