Segulsviðsskynjarar eru nauðsynleg tæki í jarðfræðilegri könnun, vöktun raforkunets, geimferðaverkfræði og sjálfvirkni í iðnaði. Meðal hinna ýmsu skynjunartækni sem er í boði, eru ljósleiðarar-undirstaða segulsviðsskynjara áberandi fyrir ónæmi fyrir rafsegultruflunum, tæringarþol og hæfi til fjarvöktunar í erfiðu umhverfi.
Ein sérlega efnileg aðferð notar segulvökva (MHD) - kvoða sviflausn af nanóskala segulmagnaðir agnir - sem skynjunarmiðil. Þegar samþætt viðljósleiðara, MHD gerir trefjum kleift að bregðast við ytri segulsviðum með breytingum á brotstuðul þess og ljósflutningseiginleikum. Þessi samsetning hefur vakið vaxandi áhuga á rannsóknum, eins og kemur fram í ritdómum sem gefnir eru út af tímaritum eins ogOptics ExpressogSkynjarar og stýringar B.
Þessi grein útskýrir tvírása-trefja segulsviðsskynjarakerfi sem byggir á TDM-tækni (time division multiplexing). Það fjallar um vinnuregluna, stöðugleikaframmistöðu, næmnigögn og hagnýta kosti þessa kerfis samanborið við hefðbundna eins- MHD trefjaskynjara.
Hvað er TDM Dual-Channel Tapered Fiber Segulsviðsskynjunarkerfi?
TDM tvöfaldur-rása mjókkandi trefjar segulsviðsskynjunarkerfi er sjónskynjunararkitektúr sem notar tvær aðskildar trefjarásir - sem hver inniheldur mjókkaðan trefjahluta húðaðan segulvökva - til að mæla styrk segulsviðs á mörgum stöðum samtímis. Kerfið byggir á fasa-viðkvæmum sjónrænum tímalénsreflektometer (φ-OTDR) til að mynda, taka á móti og vinna úr púlsljósmerki sem ferðast um hverja rás.
Lykilnýjungin felst í því að sameina tapered trefjaskynjunareiningar með TDM tækni. Í stað þess að mæla aðeins einn stað, gerir TDM kerfinu kleift að greina merki frá mismunandi skynjunarstöðum meðfram trefjaranum með því að aðgreina þau í tíma. Þetta gerir eftirlit með mörgum-segulsviði í gegnum eitt yfirheyrslutæki - möguleika sem hefðbundnir MHD trefjaskynjarar skortir venjulega.
Tapered trefjar vísar til hluta afeinfaldur-hamur trefjarsem hefur verið hitað og teygt til að minnka þvermál þess. Þessi mjókkun eykur samspil milli leiðsagnarljóssins og umhverfis MHD efnisins, sem gerir skynjarann viðkvæmari fyrir breytingum á segulsviði.
Hvers vegna hefðbundnir MHD trefjasegulskynjarar falla ekki
Núverandi MHD-trefja segulsviðsskynjarar treysta almennt á mannvirki eins og mjókkandi trefjar, ljóskristaltrefjar fylltar með MHD, eins-ham – kjarnalausum – stakri-stillingu trefjum og langri-trefjarristum. Þó að hver þeirra hafi sýnt raunhæfa segulsviðsnæmni í rannsóknarstofustillingum, deila þeir nokkrum hagnýtum takmörkunum.
Tvær algengustu afmótunaraðferðirnar eru afl-undirstaða uppgötvun og bylgjulengd-breytingaskynjun. Afl-skynjarar mæla breytingar á sendu ljósafli, en aflestur þeirra hefur bein áhrif á sveiflur í ljósgjafanum. Jafnvel lítil aflbreyting getur leitt til mæliskekkna sem erfitt er að skilja frá raunverulegu segulsviðsmerkinu. Bylgjulengdar-breytingarskynjarar forðast þetta vandamál með því að rekja litrófsbreytingar, en þeir eru háðir ljósrófsgreiningartækjum - sem eru dýr, fyrirferðarmikil og óhagkvæm til notkunar á vettvangi.
Fyrir utan mótunaráskorunina eru flestir núverandi MHD trefjaskynjarar hannaðir fyrir eins-mælingar eingöngu. Vöktun á mörgum stöðum krefst þess að afrita allt yfirheyrslukerfið fyrir hvern punkt, sem eykur kostnað og flókið. Fyrir forrit eins ogaflflutningslínaeftirlit eða stór-iðnaðarskoðun, eins-geta er verulegur flöskuháls.
Hvernig TDM-skynjunarkerfið með tvöföldum-rásum virkar
Kerfisarkitektúrinn byrjar með φ-OTDR einingu, sem myndar stutta sjónpúlsa og vinnur skilmerkin. Seinkunartrefjar eru tengdir við úttak φ-OTDR til að draga úr áhrifum mikillar upphafspúlsorku á móttöku merkja.
Púlsljósið fer síðan inn í hringrás - ljóshluta sem beinir ljósi í ákveðna átt - og er beint inn í fyrsta sjóntengi (OC1). Við OC1 skiptist ljósið í tvær leiðir með viljandi ósamhverfu hlutfalli: 1% fer í skynjunarrás 1 (mynduð af OC1 og OC2), en 99% halda áfram að skynja rás 2 (mynduð af OC3 og OC4).
Í hverri skynjunarrás fer púlsljósið í gegnum skynjunareiningu (SU) þar sem það hefur samskipti við MHD-húðaða mjókkandi trefjar. Eftir að hafa farið í gegnum SU nær ljósið að öðru tenginu í lykkjunni. Hér fer 99% ljóssins í hringrás innan rásarinnar og 1% er beint aftur í átt að φ-OTDR í gegnum hringrásina. Þessi endurrás gerir púlsinn kleift að fara í gegnum skynjunareininguna margsinnis og safnast upp mælanlegri dempun með hverri umferð.
φ-OTDR skráir skilað merki frá báðum rásum. Vegna þess að rásirnar tvær hafa mismunandi ljósleiðarlengd, koma afturmerki þeirra á mismunandi tímum - þetta er kjarninn í TDM meginreglunni. Með því að greina dempunarhalla púlsanna sem skila sér, reiknar kerfið út segulsviðsstyrkinn á hverjum skynjunarstað án þess að þurfa litrófsmæli eða bylgjulengdar-rakningartæki.
Þessi aðferð greinir breytingar á sjónaflsdeyfingarhraða frekar en algeru aflstigi. Fyrir vikið er mælingin í eðli sínu minna næm fyrir sveiflum ljósgjafa - sem er þýðingarmikil framför en hefðbundnir afl-byggðir MHD skynjarar.
Niðurstöður stöðugleika- og næmniprófs
Stöðugleiki undir núll segulsviði
Til að meta stöðugleika í grunnlínu var kerfið prófað 30 sinnum í umhverfi sem ekki er-segulsvið-. Meðalljósafl leysigjafans var 1,21 mW, með staðalfráviki 0,0516 mW (u.þ.b. 4,26% af meðaltali). Þrátt fyrir þessa uppspretta-stigsbreytingu héldust dempunarhallar mældar með rásunum tveimur mjög stöðugar:
- Rás 1:meðaldempunarhalli −11,57 dB/km, staðalfrávik 0,109 dB/km (0,942% af meðaltali)
- Rás 2:meðaldempunarhalli −18,117 dB/km, staðalfrávik 0,124 dB/km (0,684% af meðaltali)
Sú staðreynd að dempunarhallinn hélst stöðugur, jafnvel þó afl ljósgjafans sveiflaðist, staðfestir að mælingaraðferð kerfisins - sem byggist á deyfingarhraða frekar en algeru afli - aftengir í raun lesturinn frá uppruna-stigshljóði.
Stöðugleiki undir stöðugu segulsviði
Í öðru setti prófana voru báðar rásirnar útsettar fyrir stöðugu segulsviði 5 mT. Yfir endurteknar mælingar:
- Rás 1:meðaldempunarhalli −14,85 dB/km, staðalfrávik 0,131 dB/km (0,882% af meðaltali)
- Rás 2:meðaldempunarhalli −30,94 dB/km, staðalfrávik 0,315 dB/km (1,02% af meðaltali)
Báðar rásirnar sýndu undir 1,1% breytileika miðað við meðaltal þeirra, sem gefur til kynna að kerfið skilar endurteknum árangri við virka segulsviðsaðstæður.
Segulsviðsnæmi
Mælingar á næmni gáfu eftirfarandi niðurstöður:
- Rás 1:−1,09 dB/(km·mT) á sviði styrkleikasviðs 3–14 mT
- Rás 2:−3.466 dB/(km·mT) á sviði styrkleikasviðs 2–7 mT
Rás 2 sýnir um það bil þrisvar sinnum meira næmi en Rás 1. Þessi munur stafar af ósamhverfu tengihönnuninni - Rás 2 fær 99% af inntaksljósinu, sem leiðir til sterkari samskipta við skynjunareininguna í hverri umferð. Málið-er að Rás 2 starfar á þrengra mælisviði (2–7 mT á móti. 3–14 mT), sem endurspeglar dæmigert næmi-á móti-sviðsjafnvægi íljósleiðaraskynjunkerfi.
Kostir fram yfir hefðbundna segulsviðsskynjara
Í samanburði við hefðbundna eins punkta MHD trefja segulsviðsskynjara býður þetta TDM tvískipt-rásarkerfi upp á nokkrar áþreifanlegar endurbætur:
- Fjöl-punkta mælingargeta:TDM gerir samtímis vöktun á mörgum stöðum kleift með einni φ-OTDR einingu, sem útilokar þörfina fyrir aðskilin yfirheyrslukerfi á hverjum mælipunkti.
- Minnkað næmi fyrir sveiflum ljósgjafa:Með því að mæla dempunarhalla frekar en algert ljósafl, lágmarkar kerfið villur af völdum óstöðugleika ljósgjafa - sem er vel-þekktur veikleiki afl-undirstaða MHD skynjara.
- Enginn litrófsmælir krafist:Ólíkt bylgjulengdar-færsluskynjurum, treystir þetta kerfi ekki á ljósrófsgreiningartæki, sem dregur úr bæði búnaðarkostnaði og líkamlegu fótspori.
- Einföld tilbúningur:Mjókkandi trefjaskynjarar eru framleiddir með venjulegu hita-og-dragferli, sem gerir þá tiltölulega einfalda í framleiðslu samanborið við ljóseindakristaltrefjar eða sérstakar ristarbyggingar.
- Samhæfni við fjarvöktun:Kerfið styður langa-merkjasendingu í gegnum staðlaðaljósleiðarainnviði, sem gerir það hentugt fyrir dreifingu á ytri vettvangi.
Forritssviðsmyndir fyrir fjarstýrð fjöl-segulsviðsvöktun
Sambland af fjöl-punktaskynjun, rafsegultruflun og fjarvöktunargetu gerir þetta kerfi viðeigandi fyrir nokkur hagnýt forrit:
Uppbygging raforkuflutnings:Að fylgjast með dreifingu segulsviðs meðfram háspennuflutningslínum- hjálpar til við að greina frávik sem tengjast straumleka, hnignun búnaðar eða utanaðkomandi truflun. Geta kerfisins til að starfa yfirlangar trefjahlauper sérstaklega mikils virði í þessu samhengi.
Vöktun iðnaðarvéla:Stórir mótorar, rafala og spennar framleiða segulsvið sem tengjast rekstrarheilbrigði. Fjöl-trefjaskynjun gerir stöðugt eftirlit án þess að leiðandi efni berist inn í mæliumhverfið.
Vísindarannsóknartæki:Í rannsóknarstofuumhverfi þar sem krafist er nákvæmrar truflunar-lausrar segulsviðskortlagningar - eins og tilrauna í eðlisfræði í ögnum eða efnisrannsókna - trefja-skynjun kemur í veg fyrir rafsegulmengunina sem hefðbundnir rafeindaskynjarar geta komið fyrir.
Vöktun neðansjávar og neðanjarðar:Fyrir umhverfi þar sem beinn aðgangur er takmarkaður, veita tæringarþol og langa-fjarlægðargetu ljósleiðaraskynjara hagnýtan kost fram yfir rafræna valkosti. Þetta er í takt við trefjaskynjunarforrit íjarðstrengurvöktun og innviðaskoðun neðansjávar.
Núverandi takmarkanir og framtíðarleiðbeiningar
Þó að kerfið sýni frammistöðu sem lofa góðu, ætti að taka eftir nokkrum takmörkunum vegna hagnýtrar dreifingar:
Mælisviðið er takmarkað af mettunareiginleikum segulvökvans. Rás 1 starfar innan 3–14 mT og Rás 2 innan 2–7 mT - hentugur fyrir miðlungs-sviðsumhverfi en ófullnægjandi fyrir há-iðnaðarnotkun sem fer yfir tugi millitesla.
Hitanæmi segulvökvans hefur ekki verið skilgreint að fullu í fyrirliggjandi gögnum. Þar sem MHD-brotstuðull er-háður hita, myndi raunverulega-heimsuppsetning krefjast annað hvort hitauppbótar eða stýrt hitaumhverfi.
Kerfið sýnir eins og er tveggja-rása aðgerð. Til að stækka í fleiri skynjunarpunkta þarf nákvæma stjórnun á-til-hljóðhlutfalli merkja þar sem kostnaðarhámarki ljósaflsins er skipt á fleiri rásir.
Framtíðarhagræðing gæti einbeitt sér að því að stækka mælisviðið með endurbættum segulvökvasamsetningum, auka rásafjölda með háþróaðri TDM eða bylgjulengdadeild margföldunarkerfum (WDM) og samþætta hitauppbótakerfi fyrir uppsetningu utandyra.
Algengar spurningar
Hvert er hlutverk TDM í segulsviðsskynjun?
Tímadeild margföldun (TDM) gerir einni yfirheyrslueiningu kleift að greina merki frá mörgum skynjunarstöðum með því að aðgreina skilmerki þeirra í tíma. Í þessu kerfi gerir TDM kleift að mæla segulsvið samtímis á tveimur eða fleiri stöðum án þess að þurfa sérstakan búnað fyrir hvern punkt.
Hvers vegna er φ-OTDR notað í þessu kerfi?
Fasa-næmur sjónræn tímalénsreflektometer (φ-OTDR) býr til nákvæmlega tímasetta sjónpúlsa og greinir skilað merki með mikilli tímaupplausn. Þetta gerir það vel-hentugt fyrir TDM-dreifða skynjun, þar sem auðkenning á uppruna hvers skilaðs merkis fer eftir nákvæmum-tíma-flugsmælinga. Fyrir meira um OTDR meginreglur, sjáLeiðbeiningar um OTDR prófunarreglur.
Hver eru næmnisvið skynjunarrásanna tveggja?
Rás 1 nær næmi −1,09 dB/(km·mT) á sviðinu 3–14 mT. Rás 2 nær −3,466 dB/(km·mT) yfir 2–7 mT. Hærra næmni Rásar 2 kemur frá því að fá stærri hlut af ljósafli inntaksins (99% á móti. 1%), sem eykur merki-til-suðhlutfalls en þrengir nothæft mælisvið.
Hvernig dregur þetta kerfi úr áhrifum ljósgjafasveiflna?
Í stað þess að mæla algert ljósafl (sem breytist þegar uppspretta sveiflast) mælir kerfið hraða sjóndeyfingar meðfram skynjunarrásinni. Þessi dempunarhalli helst stöðugur, jafnvel þegar uppspretta afl er breytilegt, vegna þess að hallinn endurspeglar hlutfallslega breytingu á lengdareiningu frekar en heildarafli. Stöðugleikapróf staðfestu undir 1,1% breytileika í dempunarhalla þrátt fyrir 4,26% breytileika í orkugjafa.
Er hægt að nota þetta kerfi til að fylgjast með segulsviði neðansjávar?
Í grundvallaratriðum, já. Ljósleiðaraskynjarar eru í eðli sínu ónæmur fyrir rafsegultruflunum og þola tæringu, sem gerir þá hentuga fyrir neðansjávarumhverfi. Hins vegar þyrfti segulvökvahúð og trefjatengingar viðeigandi umhverfisvernd fyrirútrás neðansjávar.
Hvað er segulvökvi (MHD) og hvers vegna er hann notaður með ljósleiðara?
Segulvökvi (einnig kallaður ferrofluid eða MHD) er kvoða sviflausn á nanóskala segulmagnaðir agnir í burðarvökva. Þegar ytra segulsvið er beitt breytist brotstuðull vökvans. Með því að húða eða umlykja ljósleiðara með MHD verða ljósleiðaraeiginleikar ljósleiðarans viðkvæmir fyrir nærliggjandi segulsviði, sem gerir sjónsegulsviðsskynjun kleift án rafrænna íhluta á mælipunktinum.