지식

광섬유 감지는 일반 광섬유를 길고 연속적인 센서로 바꿔줍니다. 데이터만 전달하는 대신, 광섬유는 온도, 변형, 압력 또는 진동이 케이블에 작용할 때 특성이 변하는 빛을 전달합니다. 이러한 변경 사항을 읽음으로써 감지 시스템은 무슨 일이 일어나고 있는지 - 일반적으로 정확히 보고할 수 있습니다.어디이는 몇 미터에서 수십 킬로미터의 거리에서 - 발생하고 있습니다. 이 가이드에서는 기술이 단계별로 작동하는 방식, 세 가지 주요 유형 및 차이점, 각 유형이 적합한 위치, 계획할 가치가 있는 한계를 안내합니다.

광섬유 감지 기술이란 무엇입니까?

광섬유 감지는 광섬유 자체를 감지 요소로 사용하는 측정 방법입니다. 광원은 광섬유에 빛을 발사합니다. 빛이 이동함에 따라 외부 조건에 따라 강도, 파장, 위상, 편광 또는 유리 내부에서 산란되는 방식이 약간 변경됩니다. 섬유 끝에 있는 장비는 이러한 변경 사항을 판독하고 이를 온도, 변형률 또는 진동과 같은 물리적 측정값으로 변환합니다.

감지 지점은 유리로 만들어지고 전류가 흐르지 않기 때문에 광섬유 감지는 전자기 간섭에 영향을 받지 않으며 전기 센서가 어려움을 겪는 파이프라인, 전력 시스템, 터널 및 교량에서 중요한 폭발성 또는 화학적으로 공격적인 설정 - 품질에 안전하게 배포할 수 있습니다. 동일한 광섬유가 센서와 신호 경로 역할을 모두 수행할 수 있으므로 현장 하드웨어가 단순해집니다. 섬유는 일반적으로 표준입니다.단일-모드 광섬유변형률, 음향 및 Brillouin 시스템의 경우 온도{0}}Raman 시스템만 다중 모드 광섬유에서 실행되는 경우가 많습니다.

광섬유 감지 기술은 어떻게 작동합니까?

모든 광섬유 감지 시스템은 동일한 체인을 따릅니다. 즉, 빛을 보내고, 환경에 따라 수정되고, 돌아오는 빛을 읽고, 변경 사항을 측정으로 변환합니다. 각 단계에서 일어나는 일은 다음과 같습니다.

1. 빛은 섬유를 통해 이동합니다.

레이저 또는 광대역 소스는 빛 - 일반적으로 일련의 짧은 펄스 -를 광섬유 코어로 발사하며, 여기에서 내부 전반사가 케이블 길이를 따라 계속 안내됩니다. 감지 시스템에서 이 빛은 프로브입니다. 통과하는 동안 빛에 영향을 미치는 모든 것이 정보가 됩니다.

2. 환경이 빛을 변화시킨다

온도, 변형, 압력 또는 진동이 섬유 단면에 작용하면 유리- 길이, 굴절률 또는 내부 구조의 간격이 약간 변경됩니다. 이러한 작은 물리적 변화는 파장, 강도, 위상, 편광 또는 뒤로 산란되는 부분의 스펙트럼 등 빛의 하나 이상의 속성을 이동시킵니다. 이동의 크기는 교정된 측정을 가능하게 하는 외부 효과의 강도에 비례합니다.

3. 빛은 반사되거나 산란됩니다.

빛의 일부가 광원쪽으로 되돌아옵니다. 일부 센서에서는 광섬유 브래그 격자와 같이 광섬유에 기록된 의도적인 구조에 의해 반사됩니다. 분산 시스템에서는 유리 자체가 추가 구성 요소 없이 전체 섬유를 따라 희미한 빛의 흐름을 다시 산란시킵니다. 어느 쪽이든, 되돌아오는 빛은 광섬유에 작용한 모든 것의 지문을 담고 있습니다.

4. 질문자는 신호를 읽고 위치를 찾습니다.

인터로게이터(또는 복조기)라는 장비가 반사되는 빛을 측정합니다. 분산 시스템의 경우 빛이 다시 돌아오는 데 걸리는 시간을 측정합니다. - 광시-도메인 반사계(OTDR)와 동일한 개념입니다. 광섬유의 빛 속도가 알려져 있으므로 왕복-시간은 케이블을 따라 각 변화의 위치를 ​​정확히 찾아냅니다. 그런 다음 인테로게이터는 위치가 첨부된 광학적 변화를 온도, 변형률 또는 진동의 교정된 판독값으로 변환합니다.

빛이 들어오고, 환경이 그 빛에 흔적을 남기고, 빛이 다시 돌아오며, 질문자는 변화 -와 그것이 발생한 위치 -를 측정값으로 바꿉니다.

광섬유 감지 기술의 주요 유형

광섬유 감지는 일반적으로 광섬유를 따라 측정할 수 있는 지점 수와 감지 발생 방식에 따라 세 가지 제품군으로 분류됩니다.

포인트 광섬유 감지

포인트 센서는 단일 위치를 측정합니다. 전용 감지 요소는 하나의 매개변수 - 온도, 압력 또는 가속도(예: -)에 반응하며 설계가 간단하고 상대적으로 저렴합니다.

가장 일반적인 예는 다음과 같습니다.섬유 브래그 격자(FBG). 격자는 코어를 강렬한 자외선 간섭 패턴에 노출시켜 생성되는 섬유 코어의 굴절률의 주기적인 변화입니다. 격자는 하나의 특정 파장 - 브래그 파장 -을 반사하고 나머지는 통과시킵니다. 격자가 변형되거나 열로 인해 팽창하면 간격이 변하고 반사된 파장이 이동합니다. 질문자는 해당 시프트를 읽고 이를 값으로 변환합니다. 1550nm 파장 근처에서 일반적인 FBG의 반사 파장은 신장의 마이크로스트레인당 1피코미터 정도, 가열 섭씨온도당 수 피코미터 정도 이동합니다. 연구 및 항공우주 프로그램에서는 다음을 포함하여 이러한 이중 민감도를 자세히 특성화했습니다.내장형 FBG 스트레인 센서에 대한 NASA 평가높은 온도에서. 다른 포인트 센서로는 레이저 자이로스코프와광섬유-자기장 센서특수 측정용.

준-분산 광섬유 감지

준-분산 시스템은 하나의 광섬유(예: FBG 스트링)를 따라 여러 지점 센서를 직렬로 연결합니다. 각각은 약간 다른 파장을 반사하므로 질문자가 이를 구분할 수 있습니다. 그러면 하나의 섬유가 동시에 여러 개별 위치의 온도, 진동, 압력 또는 변형을 보고할 수 있습니다. -물리학적 측면에서 절충안이 있습니다. 단일 광섬유의 센서 수는 소스 대역폭과 각 격자가 차지할 수 있는 파장 창에 의해 제한되며 광섬유는 요소 사이의 간격에서 아무것도 감지하지 못합니다. 다음과 같은 관련 섬유-격자 접근법장기간-격자 감지 시스템, 다른 스펙트럼 동작으로 유사한 원리를 따릅니다.

분산 광섬유 감지

분산 시스템은 개별 감지 지점이 전혀 없는 연속 센서로 베어 광섬유를 사용합니다. 유리 내부에서 자연적으로 산란되는 빛에 의존하여 산란된 빛이 전체 길이에 걸쳐 어떻게 변하는지 읽어냅니다. 삼광산란 메커니즘-사용되며 각각은 서로 다른 매개변수에 적합합니다.

• 레일리 산란빛의 주파수를 바꾸지 않는 탄성 과정입니다. 이는 세 가지 중 가장 강력하며 분산형 음향 및 진동 감지(DAS/DVS)의 기초입니다. 여기서 빠른 단일{1}} 측정은 소리 및 진동과 같은 동적 변형을 추적합니다.
• 라만 산란온도에 따라 강도가 달라지는 빛을 생성하며 이는 분산 온도 감지(DTS)의 기초가 됩니다.
• 브릴루앙 산란변형률과 온도에 따라 주파수가 이동하므로 장거리에 걸쳐 분산된 변형률과 온도 감지를 뒷받침합니다.

시스템은 고정 지점이 아닌 전체 광섬유를 샘플링하기 때문에 단일 케이블로 수십 킬로미터에 걸쳐 수천 개의 효과적인 연속 측정 위치를 제공할 수 있습니다. 이러한 적용 범위는 어디에서나 문제가 나타날 수 있는 길고 선형적인 자산에 대해 분산 감지가 빠르게 성장한 이유입니다.

포인트 대 준-분산 대 분산 광섬유 감지

세 가족은 서로 다른 질문에 대답합니다. 점 감지는 "이 한 지점에서 무슨 일이 일어나고 있나요?"라고 묻습니다. 준-분산은 "알려진 지점에서 무슨 일이 일어나고 있나요?"라고 묻습니다. 배포됨은 "이 경로를 따라 어디에서 무슨 일이 일어나고 있나요?"라고 묻습니다. 아래 표에는 실제 차이점이 요약되어 있습니다.

광섬유 감지의 일반적인 응용 분야

• 파이프라인 모니터링 및 누출 감지.석유, 가스 또는 송수관을 따라 설치된 광섬유는 누수를 국지적 온도 이상(DTS)으로 표시하고 굴착 또는 제3자 간섭을 진동 신호(DAS)로 감지할 수 있습니다.- 이는 이 사용 사례에 가끔 사용되는 느슨한 문구인 '석유 및 가스'보다 더 정확한 프레이밍입니다.
• 경계 및 국경 보안.분산진동감지는 울타리선이나 매설경로를 ​​따른 발자국, 차량, 오르기, 굴착 등을 감지하고 분류하는 기술이다.광섬유{0}}경계 침입 감지.
• 전원 케이블 및 그리드 모니터링.DTS는 고전압 케이블의 온도를 추적하여{0}}부하를 관리하고 핫스팟을 찾아냅니다. 배경은 이 개요를 참조하세요.분산 온도 모니터링.
• 터널 및 건물 화재 감지.지속적인 온도 프로파일링은 단일 지점 감지기가 반응하기 훨씬 전에 열이 상승하는 정확한 미터에 경보를 울립니다.{0}}
• 구조적 상태 모니터링.FBG 및 분산 변형률 감지는 사용 수명 동안 교량, 댐, 터널 및 대형 복합 구조물의 하중, 편향 및 균열을 측정합니다.

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광섬유 감지의 장점과 한계

다른 측정 기술과 마찬가지로 광섬유 감지는 어떤 상황에서는 적합하지만 어떤 상황에서는 적합하지 않습니다. 양쪽을 명확하게 설정하면 선택이 더 쉬워집니다.

뛰어난 점:

• 감지 지점이 현장에 전자 장치가 없는 수동 유리이므로 전자기 간섭에 대한 내성이 있습니다.
• 전기 센서가 위험한 폭발성 또는 부식성 환경에서도 안전합니다.
• 하나의 케이블은 수백 개의 개별 센서와 해당 배선을 대체할 수 있으며 데이터 경로의 역할도 합니다.
• 분산 시스템은 고립된 판독값뿐만 아니라 위치에 대한 지속적인 적용 범위를 제공합니다.

제한이 있는 경우:

• 인터로게이터는 고가의 부품이므로 짧은 단일 지점 작업은{0}}기존 센서를 사용하는 경우 비용이 더 저렴해지는 경우가 많습니다.
• "높은 정확도"는 조건부입니다. 분산 시스템의 경우 공간 해상도, 감지 범위 및 샘플링 속도가 서로 상충되며 "분산"이 무제한의 정밀도를 의미하지는 않습니다.
• 위치 정확도는 감지 방법, 케이블이 구조에 라우팅 및 결합되는 방식, 샘플링 속도, 인터로게이터 및 분석 알고리즘에 따라 달라집니다.
• 설계, 설치, 해석에는 전문적인 지식이 필요합니다.

올바른 광섬유 감지 방법을 선택하는 방법

실제로 답변이 필요한 질문부터 시작한 다음 이를 방법에 연결하세요.

• 정확하게 측정된 하나의 중요한 지점- FBG와 같은 포인트 센서.
• 구조물의 알려진 위치 몇 개- 준-분산 FBG 배열입니다.
• 어디서든 문제가 나타날 수 있는 긴 경로- 분산 시스템: 온도 및 화재를 위한 DTS, 진동 및 침입을 위한 DAS/DVS, 변형을 위한 Brillouin.

방법이 명확해지면 구매하기 전에 필요한 감지 범위, 공간 분해능, 측정 주파수(샘플링 속도), 케이블 경로 및 자산에 고정하는 방법, 배포할 광섬유 및 센서와의 인터로게이터 호환성 등 특정 매개변수를 비교하십시오.