المعرفه

يقوم استشعار الألياف الضوئية بتحويل الألياف الضوئية العادية إلى مستشعر طويل ومستمر. فبدلاً من نقل البيانات فقط، تحمل الألياف الضوء الذي تتغير خصائصه عندما تؤثر درجة الحرارة أو الضغط أو الضغط أو الاهتزاز على الكابل. من خلال قراءة هذه التغييرات، يمكن لنظام الاستشعار الإبلاغ عما يحدث - وعادة ما يكون بالضبطأينويحدث - على مسافات تتراوح من بضعة أمتار إلى عشرات الكيلومترات. يستعرض هذا الدليل كيفية عمل التكنولوجيا خطوة بخطوة، والأنواع الثلاثة الرئيسية وكيفية اختلافها، ومكان كل منها، والحدود التي تستحق التخطيط لها.

ما هي تقنية استشعار الألياف الضوئية؟

استشعار الألياف الضوئية هو طريقة قياس تستخدم الألياف الضوئية نفسها كعنصر استشعار. مصدر الضوء يطلق الضوء في الألياف؛ أثناء انتقال الضوء، تغير الظروف الخارجية قليلاً من شدته، أو طول موجته، أو طوره، أو استقطابه، أو طريقة انتشاره داخل الزجاج. تقوم أداة موجودة في نهاية الألياف بقراءة تلك التعديلات وتحويلها إلى قياسات فيزيائية مثل درجة الحرارة أو الضغط أو الاهتزاز.

نظرًا لأن نقطة الاستشعار مصنوعة من الزجاج ولا تحمل أي تيار كهربائي، فإن استشعار الألياف الضوئية محصن ضد التداخل الكهرومغناطيسي وآمن للنشر في البيئات المتفجرة أو العدوانية كيميائيًا - ذات الصفات المهمة في خطوط الأنابيب وأنظمة الطاقة والأنفاق والجسور حيث تكافح أجهزة الاستشعار الكهربائية. يمكن أن تعمل نفس الألياف كجهاز استشعار ومسار للإشارة، مما يجعل الأجهزة الميدانية بسيطة. الألياف عادة ما تكون قياسيةألياف ضوئية أحادية الوضع-لأنظمة الضغط والصوت وBrillouin، في حين أن أنظمة درجة الحرارة-فقط Raman غالبًا ما تعمل على ألياف متعددة الأوضاع.

كيف تعمل تقنية استشعار الألياف الضوئية؟

يتبع كل نظام استشعار من الألياف الضوئية نفس السلسلة: إرسال الضوء، والسماح للبيئة بتعديله، وقراءة الضوء الذي يعود، وترجمة التغيير إلى قياس. وهنا ما يحدث في كل مرحلة.

1. ينتقل الضوء عبر الألياف

يطلق مصدر الليزر أو مصدر النطاق العريض الضوء - عادةً على شكل سلسلة من النبضات القصيرة - إلى قلب الألياف، حيث يبقيه الانعكاس الداخلي الكلي موجهًا على طول الكابل. في نظام الاستشعار، هذا الضوء هو المسبار: أي شيء يؤثر عليه في الطريق يصبح معلومات.

2. البيئة تغير الضوء

عندما تؤثر درجة الحرارة أو الانفعال أو الضغط أو الاهتزاز على جزء من الألياف، فإنها تغير الزجاج قليلاً - طوله أو معامل انكساره أو المسافة بين الهياكل الداخلية. تؤدي هذه التغييرات الفيزيائية الصغيرة إلى تغيير واحدة أو أكثر من خصائص الضوء: الطول الموجي، أو الشدة، أو الطور، أو الاستقطاب، أو طيف الجزء الذي ينتشر للخلف. ويتناسب حجم التحول مع قوة التأثير الخارجي، وهو ما يجعل القياس المعاير ممكنا.

3. ينعكس الضوء أو ينتشر إلى الخلف

يعود جزء من الضوء نحو المصدر. في بعض أجهزة الاستشعار، ينعكس ذلك من خلال بنية متعمدة مكتوبة في الألياف، مثل شبكة الألياف Bragg. في الأنظمة الموزعة، ينثر الزجاج نفسه تيارًا خافتًا من الضوء على طول الألياف بأكملها دون أي مكونات إضافية. وفي كلتا الحالتين، يحمل الضوء العائد بصمة كل ما تم تأثيره على الألياف.

4. يقوم المحقق بقراءة الإشارة وتحديد موقعها

أداة تسمى المستجوب (أو المزيل) تقيس الضوء العائد. بالنسبة للأنظمة الموزعة، يتم أيضًا ضرب الوقت الذي يستغرقه الضوء للعودة - بنفس فكرة مقياس انعكاس المجال البصري-(OTDR). نظرًا لأن سرعة الضوء في الألياف معروفة، فإن وقت الرحلة ذهابًا وإيابًا-يحدد موقع كل تغيير على طول الكابل. يقوم المحقق بعد ذلك بتحويل التغير البصري إلى قراءة معايرة لدرجة الحرارة أو الضغط أو الاهتزاز، مع تحديد الموضع.

يدخل الضوء، وتترك البيئة بصماتها على ذلك الضوء، ويعود الضوء، ويحول المحقق التغيير - ومكان حدوثه - إلى قياس.

الأنواع الرئيسية لتقنيات استشعار الألياف الضوئية

عادةً ما يتم تجميع استشعار الألياف الضوئية في ثلاث عائلات بناءً على عدد النقاط التي يمكن قياسها على طول الألياف وكيفية حدوث الاستشعار.

نقطة استشعار الألياف البصرية

يقوم مستشعر النقطة بقياس موقع واحد. يستجيب عنصر الاستشعار المخصص لمعلمة واحدة - درجة الحرارة أو الضغط أو التسارع، على سبيل المثال - والتصميم بسيط ومنخفض التكلفة نسبيًا.

المثال الأكثر شيوعًا هوشبكة الألياف Bragg (FBG). الشبكة عبارة عن تغير دوري في معامل الانكسار لقلب الألياف، يتم إنشاؤه عن طريق تعريض القلب لنمط تداخل مكثف للأشعة فوق البنفسجية. يعكس المحزوز طولًا موجيًا واحدًا محددًا - الطول الموجي لـ Bragg - ويسمح بمرور الباقي. عندما يمدد الانفعال الشبكة أو توسعها الحرارة، تتغير التباعد ويتغير الطول الموجي المنعكس؛ يقرأ المحقق هذا التحول ويحوله إلى قيمة. بالقرب من الطول الموجي 1550 نانومتر، يتحرك الطول الموجي المنعكس لـ FBG النموذجي بمعدل بيكومتر واحد لكل سلالة ميكروية من التمدد وعدة بيكومترات لكل درجة مئوية من التسخين. وقد ميزت برامج الأبحاث والفضاء هذه الحساسية المزدوجة بالتفصيل، بما في ذلكتقييمات ناسا لأجهزة استشعار سلالة FBG المدمجةفي درجات حرارة مرتفعة. تشمل أجهزة استشعار النقاط الأخرى جيروسكوبات الليزر وأجهزة استشعار المجال المغناطيسي للألياف-البصريةللقياسات المتخصصة.

شبه-استشعار الألياف الضوئية الموزعة

يربط النظام شبه الموزع عدة أجهزة استشعار نقطية في سلسلة على طول ليف واحد - على سبيل المثال، سلسلة من FBGs، يعكس كل منها طولًا موجيًا مختلفًا قليلاً حتى يتمكن المحقق من التمييز بينها. يمكن للألياف الواحدة بعد ذلك الإبلاغ عن درجة الحرارة أو الاهتزاز أو الضغط أو الإجهاد في العديد من المواقع المنفصلة في وقت واحد. إن المقايضة-مضمنة في الفيزياء: عدد أجهزة الاستشعار الموجودة على ليف واحد محدود بعرض النطاق الترددي للمصدر ونافذة الطول الموجي التي يمكن أن تشغلها كل شبكة، ولا يستشعر الألياف أي شيء في الفجوات بين العناصر. طرق شبك الألياف ذات الصلة-، مثلأنظمة استشعار الشبكة-الطويلة، اتبع مبادئ مماثلة مع سلوك طيفي مختلف.

استشعار الألياف الضوئية الموزعة

يستخدم النظام الموزع الألياف العارية كمستشعر مستمر، بدون نقاط استشعار منفصلة على الإطلاق. فهو يعتمد على الضوء الذي ينتشر بشكل طبيعي داخل الزجاج ويقرأ كيف يتغير هذا الضوء المبعثر على طوله بالكامل. ثلاثةآليات تشتيت الضوء-.يتم استخدامها، كل منها يناسب معايير مختلفة:

• تشتت رايليهي عملية مرنة لا تغير تردد الضوء. وهو الأقوى من بين الثلاثة وأساس الاستشعار الصوتي والاهتزاز الموزع (DAS/DVS)، حيث تقوم قياسات اللقطة السريعة والمفردة- بتتبع الضغط الديناميكي مثل الصوت والاهتزاز.
• تناثر رامانينتج ضوءًا تعتمد شدته على درجة الحرارة، مما يجعله أساسًا لاستشعار درجة الحرارة الموزعة (DTS).
• تشتت بريلوينيتغير التردد مع كل من الإجهاد ودرجة الحرارة، لذلك فهو يدعم استشعار الإجهاد ودرجة الحرارة الموزعة على مسافات طويلة.

ونظرًا لأن النظام يقوم بأخذ عينات من الألياف بأكملها بدلاً من النقاط الثابتة، فيمكن لكابل واحد توفير الآلاف من مواقع القياس المستمرة الفعالة على مدى عشرات الكيلومترات. هذه التغطية هي السبب وراء نمو الاستشعار الموزع بسرعة للأصول الخطية الطويلة حيث يمكن أن تظهر المشكلة في أي مكان.

النقطة مقابل شبه{0}}استشعار الألياف الضوئية الموزعة مقابل الموزعة

تجيب العائلات الثلاث على أسئلة مختلفة. استشعار النقطة يسأل "ما الذي يحدث في هذه البقعة الواحدة؟"؛ شبه-موزع يسأل "ماذا يحدث في هذه المواقع المعروفة؟"; يسأل الموزع "ماذا يحدث في أي مكان على طول هذا الطريق؟" ويلخص الجدول أدناه الاختلافات العملية.

التطبيقات الشائعة لاستشعار الألياف البصرية

• مراقبة خطوط الأنابيب والكشف عن التسرب.يمكن للألياف الموضوعة على طول خط أنابيب النفط أو الغاز أو المياه أن تشير إلى التسرب باعتباره شذوذًا في درجة الحرارة المحلية (DTS) وتكشف عن الحفر أو -تدخل طرف ثالث كتوقيع اهتزاز (DAS) - وهو إطار أكثر دقة من العبارة الفضفاضة "النفط والغاز" المستخدمة أحيانًا في حالة الاستخدام هذه.
• أمن المحيط والحدود.يقوم مستشعر الاهتزاز الموزع باكتشاف وتصنيف الخطوات أو المركبات أو التسلق أو الحفر على طول خط السياج أو الطريق المدفون، وهو أساسكشف التسلل إلى محيط الألياف الضوئية-.
• مراقبة كابلات الكهرباء والشبكة.يقوم DTS بتتبع درجة حرارة الكابلات ذات الجهد العالي- لإدارة الحمل وتحديد النقاط الساخنة؛ للحصول على الخلفية، انظر هذه النظرة العامة علىمراقبة درجة الحرارة الموزعة.
• كشف حرائق الأنفاق والمباني.يؤدي التحديد المستمر لدرجة الحرارة إلى إطلاق إنذار عند المقياس الدقيق الذي ترتفع فيه الحرارة، وذلك قبل أن يستجيب كاشف نقطة واحد-.
• مراقبة الصحة الهيكلية.تقوم FBGs واستشعار الضغط الموزع بقياس الحمل والانحراف والتشقق في الجسور والسدود والأنفاق والهياكل المركبة الكبيرة طوال فترة خدمتها.

• 

مزايا وقيود استشعار الألياف البصرية

مثل أي تقنية قياس، يعتبر استشعار الألياف الضوئية مناسبًا بشكل قوي في بعض المواقف وضعيفًا في حالات أخرى. إن تحديد كلا الجانبين يجعل الاختيار أسهل.

حيث تتفوق:

• محصن ضد التداخل الكهرومغناطيسي، حيث أن نقطة الاستشعار عبارة عن زجاج سلبي مع عدم وجود إلكترونيات في المجال.
• آمن في البيئات المتفجرة أو المسببة للتآكل حيث تكون أجهزة الاستشعار الكهربائية محفوفة بالمخاطر.
• يمكن لكابل واحد أن يحل محل مئات من أجهزة الاستشعار المنفصلة وأسلاكها، ويمكن استخدامه كمسار للبيانات.
• توفر الأنظمة الموزعة تغطية مستمرة للموقع، وليس مجرد قراءات معزولة.

حيث أن لها حدود:

• يعد المحقق هو الجزء المكلف، لذا فإن المهام القصيرة-القصيرة غالبًا ما تكون أقل تكلفة باستخدام أجهزة الاستشعار التقليدية.
• "الدقة العالية" مشروطة. بالنسبة للأنظمة الموزعة، فإن الدقة المكانية ونطاق الاستشعار ومعدل أخذ العينات تتنافس مع بعضها البعض، و"الموزعة" لا تعني دقة غير محدودة.
• تعتمد دقة تحديد المواقع على طريقة الاستشعار، وكيفية توجيه الكابل وربطه بالهيكل، ومعدل أخذ العينات، والمحقق، وخوارزمية التحليل.
• يحتاج التصميم والتركيب والتفسير إلى خبرة متخصصة.

كيفية اختيار طريقة استشعار الألياف الضوئية المناسبة

ابدأ من السؤال الذي تحتاج إلى إجابة عليه بالفعل، ثم قم بمطابقته مع الطريقة:

• نقطة حرجة واحدة، تم قياسها بدقة- مستشعر نقطي مثل FBG.
• حفنة من المواقع المعروفة على الهيكل- شبه-مصفوفة FBG موزعة.
• طريق طويل حيث يمكن أن تظهر المشاكل في أي مكان- نظام موزع: DTS لدرجة الحرارة والنار، DAS/DVS للاهتزاز والتدخل، Brillouin للإجهاد.

بمجرد أن تصبح الطريقة واضحة، قارن معلمات محددة قبل الشراء: نطاق الاستشعار المطلوب، والدقة المكانية، وتكرار القياس (معدل أخذ العينات)، ومسار الكابل وكيف سيتم تثبيته على الأصل، وتوافق المحقق مع الألياف وأجهزة الاستشعار التي تخطط لنشرها.