Оптический датчик

Принцип работы ВБР-датчиков

Чувствительными элементами точечных волоконно-оптических датчиков являются волоконные брэгговские решетки.

Такие решетки записаны в оптическом волокне при помощи (чаще всего) ультрафиолетового лазера и представляют собой участок световода с периодическим изменением показателя преломления вдоль оси. ВБР каждого датчика отражает свет определенной длины волны с шириной спектра ~0,2 нм. При механическом и температурном воздействии изменяются период и показатель преломления решетки, вследствие чего мы наблюдаем смещение длины волны отраженного света. Измеряя величину этого смещения, можно определить относительную деформацию и изменение температуры. Для того чтобы разделять эти величины, необходимо использовать одновременно две решетки, одна из которых изолирована от механических воздействий. По ней фиксируются сдвиги длины волны вследствие температурных изменений.

Это позволяет учесть влияние температуры на вторую решетку, а также тепловое расширение материала, к которому прикреплен датчик, и, таким образом, измерить деформацию. В одной оптоволоконной линии может быть объединено множество решеток, каждая из которых дает отклик на своей длине волны, при этом расстояние между решетками может быть от 10 мм до нескольких километров.

Распространенным методом опроса датчиков является сканирование массива ВБР перестраиваемым лазером, с фиксацией отражения при помощи фотодетектора.

Диапазон перестройки у современных устройств составляет 100 нм (1500–1600 нм), частота опроса от 1 до 500 Гц, а количество параллельных каналов – до 8. В связи с тем что диапазон измерения датчиков может достигать ±3000 отн. ед., что соответствует сдвигу длины волны на ±3,5 нм, в каждом канале рекомендуется размещать не более 25 датчиков, чтобы спектры ВБР не накладывались друг на друга в процессе измерения.

Другим важным параметром является спектральное разрешение прибора. От него зависит разрешение датчиков по температуре и деформации. У современных анализаторов сигнала оно достигает 1 пм (~0,1 °С, ~10–6 отн. ед.). Волоконно-оптические датчики обладают следующими преимуществами по сравнению со своими электрическими аналогами:

– абсолютная невосприимчивость к электромагнитным полям и помехам;

– устойчивость к радиации;

– устойчивость к сложным климатическим условиям и агрессивным химическим средам;

– отсутствие необходимости электрического питания, заземления и гальванической развязки;

– абсолютная пожаробезопасность и взрывобезопасность;

– датчик может находиться на большом расстоянии (десятки километров) от считывающего устройства (справедливо как для квазираспределенных систем на основе ВБР, так и любых распределенных систем);

– малое время отклика датчика, малая тепловая инерционность; – возможность последовательного соединения множества датчиков в одну цепочку;

– не являются источником радиоволн;

– не могут поразить электрическим током; – не подвержены влиянию коррозии;

– обладают высоким экологическим индексом (безопасности окружающей среды);

– более высокое разрешение и меньшая погрешность по сравнению с классическими решениями;

– позволяют снизить нагрузку на структуру объектов за счет небольшого веса;

– компактность;

– срок службы 20 лет;

– первичная поверка распространяется на весь срок службы.

Для записи ВБР в оснащении компании есть три технологии:

1. эксимерным лазером через фазовые маски с гибкой подстройкой параметров;
2. через интерферометры ультрафиолетовым лазером
3. и посредством пошаговой записи фемтосекундным лазером через защитные покрытия.

Такое оснащение позволяет производить очень широкий спектр ВБР, которые применяются в производстве датчиков, оборудования для линий связи, лазерных установок и пр.

На основе ВБР производится основной объем волоконно-оптических датчиков, которые применяются для измерения физических величин: деформации, перемещения, давления, уровня жидкости, темпера- туры, ускорения, вибрации и угла наклона. Сейчас количество производимых датчиков доходит до 1000 единиц в год. В 2016 г. планируется значительное увеличение объемов производства.

 

Принцип работы датчика на основе эффекта Рамана

 

Распределенная система термометрии (Distributed Temperature Sensor) – система, предназначенная для непрерывного измерения температуры протяженных, сложных объектов.

Чувствительным элементом системы является малогабаритный волоконно-оптический кабель большой длины (до 8 км), не требующий электрического питания.

Система отличается широким диапазоном измерения температуры (от –55 до +300 °С), высокой точностью (до ±0,5 °С), высоким пространственным разрешением (до 0,5 м).

Чувствительный элемент системы DTS – кабель, в который помещается оптическое многомодовое волокно 50/125 мкм. Для каждого проекта подбирается индивидуальное решение по выбору конструкции кабеля, которая зависит от типа объекта мониторинга, того, как будет прокладываться кабель и какие воздействия он должен выдерживать

Распределенный датчик температуры на основе комбинационного рассеяния включает следующие основные элементы: импульсный лазер и подключенное к источнику оптическое волокно, которое является чувствительным элементом .

Суть рамановского рассеяния состоит в обмене энергией между падающим фотоном и молекулой вещества: если молекула переходит из основного колебательного состояния в возбужденное, то рассеянный фотон смещается по частоте в красную область спектра и, таким образом, генерируется стоксова компонента.

Возможен также и обратный процесс, когда структурная молекула теряет энергию и перерассеянный фотон с более высокой энергией генерирует антистоксову линию в синей области спектра относительно линии накачки.

Очевидно, что заселенность возбужденного уровня напрямую зависит от температуры вещества, а значит, и интенсивность антистоксовой компоненты будет проявлять температурную зависимость.

Применение, как вариант в практике:

Футбольный манеж

Автоматизированная система мониторинга, установленная на стадионе, позволяет следить за техническим состоянием объекта в режиме реального времени при минимальном участии человека. Система объединяет в себе 119 волоконнооптических датчиков As; 85 датчиков деформации и 32 датчика температуры установлены на наиболее нагруженных элементах металлоконструкции при помощи точечной сварки.

Два датчика смещения с диапазоном измерения ±40 мм установлены на фундаменте.

Для опроса датчиков используется анализатор сигналов As A310 с восьмиканальным оптическим мультиплексором.

Кроме того, в системе используется тахеометр Le TS15 для измерения перемещений в 45 точках на девяти большепролетных рамах (рис. 6).

Установка датчиков деформации и температуры

Расположение датчиков на пролетах

Показания датчиков снимаются раз в 6 часов.

Для каждого датчика задано два критических уровня измеряемых значений (желтый и красный), при превышении которых система оповещения подает звуковой сигнал тревоги, выводит сообщение на сигнальный монитор в диспетчерской и отправляет sms- и e-mail-уведомления ответственным лицам.

Частота опроса датчиков при этом увеличивается до 1 раза в 30 мин. Также отправляются уведомления в случае возникновения неполадок. Программное обеспечение позволяет удаленно просматривать показания всех датчиков в виде графиков относительной деформации, температуры и перемещения.

Датчики в туннеле

Контролю подлежат следующие параметры туннеля:

• напряженное состояние арматуры;
• и температура железобетонной обделки;
• раскрытие строительных швов;
• раскрытие сводовой части железобетонной обделки;
• фильтрационное противодавление под дном туннеля;
• и уровень воды.

Большая длина туннеля ограничивает возможность применения электрических датчиков, так как максимальное расстояние, при котором возможно считывание показаний, превышает 1 км.

Если «крайние» пикеты еще можно контролировать традиционными датчиками, то для более дальних необходимо либо применять датчики с большим расстоянием разнесения от прибора, либо размещать в туннеле устройства опроса или повторители/усилители сигналов.

Размещение считывающих устройств в туннеле неоправданно ввиду сложности строительномонтажных работ, дальнейшего обслуживания, необходимости подвода электрического питания, а также размещения оборудования в шкафах с абсолютной защитой от воды (степень защиты IP68).

В деривационном туннеле используются волоконно-оптические датчики деформации, температуры, линейных перемещений и давления. Датчик деформации используется для измерения напряженного состояния арматуры и наваривается непосредственно на ее поверхность.

Для исключения влияния бетона на датчик его измерительная часть покрывается защитным материалом.

Для учета температурных влияний на значения деформаций в точке установки дополнительно размещается датчик температуры.

Датчики линейных перемещений используются для измерения раскрытия швов между железобетонной обделкой и скалой.

Датчик давления используется для измерения уровня воды в туннеле и измерения противодавления под железобетонной обделкой дна. Температурная компенсация датчиков давления и линейных перемещений производится программными методами с помощью встроенных датчиков температуры.

На сварных швах металлической обечайки в шахте вертикального водосброса устанавливались датчики деформации в продольном и поперечном направлении оси шахты. Для температурной компенсации показаний устанавливался датчик температуры.

Учитывая сложность монтажа, необходимо было минимизировать количество выводимых на поверхность кабелей, для чего датчики объединялись в цепочки по 9 штук.

Классификация волоконно-оптических датчиков:

ДАТЧИКИ по конструктиву:

1. Точечные датчики измеряют только в месте расположения преобразователя и используют волоконно-оптический кабель для передачи света на преобразователь и от него к блоку считывания. Часто точечные датчики мультиплексируются таким образом, что несколько преобразователей используют одно и то же оптическое волокно для передачи сигналов в блок опроса и от него.

Классически используются точечные датчики, где требуются высокие точность, быстрые измерения;

1. Распределенные датчики само оптическое волокно является чувствительным элементом, и в оптическом тракте нет дополнительных преобразователей.

Блок считывания работает в соответствии с процессом радиолокационного типа:

в оптоволокно посылается ряд импульсов, и естественная фоновая подсветка регистрируется по времени.

При этом распределенный датчик измеряет во всех точках вдоль волокна. Важно, что оптическое волокно обычно является стандартным телекоммуникационным волокном и может быть, например, включено в ранее установленный телекоммуникационный кабель или в существующий кабель, используемый для связи с ранее установленным точечным датчиком. С распределенными датчиками в тех случаях, когда требуется широкий охват, с компромиссом в отношении времени измерения или разрешения/точности.

Датчики по функционалу:

1. Для мониторинга температуры окружающей среды, в том числе в помещениях, вокруг объектов;
2. Для мониторинга деформации изделий, конструкций, строений;
3. Оптоволоконные датчики мониторинга удлинения конструкций;
4. Оптоволоконные датчики измерения вибраций;
5. Оптоволоконные датчики мониторинга давления;
6. Мониторинг асфальтобетонных покрытий;
7. Мониторинг туннельной облицовки;
8. Мониторинг (диагностика ) автомобильных и железнодорожных мостов;
9. Мониторинг (диагностика) железнодорожный путей;
10. Оптоволоконные системы мониторинга дорожного движения (Автоматизированный подсчет, классификация и взвешивание транспортных средств, Создание статистики по объему трафика, Управление жизненным циклом — нагрузка на асфальт (руль);
11. Системы измерения параметров дорожного полотна (дата, время, скорость транспортных средств, длина транспортных средств, классификация, общий вес, шины, ширина, давление, транспортный поток, ассиметричная нагрузка);
12. Оптоволоконные системы измерения напряжения, скорости ветра и температуры на ЛЭП;
13. Оптоволоконные датчики деформации конструкций самолетов (создание системы контроля состояния воздушного судна);
14. Оптоволоконные датчики измерения состояния аккумуляторной батареи;
15. Оптоволоконные системы обнаружения вторжения по периметру (простая установка на заборах и стенах, интегрируется в существующую систему безопасности);
16. Системы оптоволоконные мониторинга безопасности помещений, ящиков, люков, щитков (Распознает само открытие, но и покушение (вандализм, грузовик, случайно повредивший уличный кабинет и т. д.) — идентификация события)
17. Оптоволоконные датчики сейсмического измерения
18. Датчики многократного и однократного измерения;
19. Датчики акустического зондирования;
20. Датчики распределенного температурного зондирования;
21. Датчики распределенного измерения температуры и деформации;
22. Оптоволоконные системы и датчики изменения трубопроводного транспорта
23. Оптоволоконные системы и датчики диагностики геоопор
24. Оптоволоконные системы и датчики мониторинга температуры: подземная высоковольтная линия
25. Оптоволоконные системы и датчики контроля температуры: обнаружение утечек в трубопроводах центрального отопления, подачи природного газа, питьевой воды, сточных вод, отопление
26. Комплексные оптоволоконные системы мониторинга, диагностики объединяющие все оптоволоконные датчики на определенной территории

Преимущества волоконно-оптического датчика

• Чрезвычайно тонкий — тоньше человеческого волос и очень легкий (слабо инвазивный — встраиваемый)
• Многие параметры измеряются (температура, вибрация и т.д…)
• Мониторинг различных точек измерения по одному волокну
• Большой температурный диапазон (до 1000 ° C)
• Дистанционный мониторинг длинных линейных активов
• Подходит для опасных зон и тяжелых условий окружающей среды: устойчива к коррозии, химическим веществам, воде, молнии, высокому напряжению, пыли
• Устойчивость к электромагнитным помехам (EMI): нечувствительность к электромагнитному излучению из окружающей среды

Пассивный — питание в точке измерения не требуется