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    展望光纖傳感器的未來

    日期:2019-12-04 點擊:1921

           

           在過去60年中,光纖傳感(FOS)經常被眾多的行業用來增強和測試建筑、車輛、醫療設備等的完整性、效率、安全性和耐用性。而過去5年中光纖傳感技術的發展使得它能夠實現航空、能源甚至醫療等應用中空前水平的數據和檢測密度。這將有助于工程師解決他們目前面臨的問題,并通過創新改進他們的設計。今天光纖技術有著大量的實用意義,并且未來應用的可能性也非常廣泛。




           第一款光纖傳感器是在20世紀60年代獲得專利許可的,基于的是自由空間光學。大約10年后,研究人員開發出了首款內在(intrinsic)光纖傳感器。這種新技術可以比自由空間傳感器提供更明顯的工程效益,可用來獲得可靠的機械測量結果。光纖的使用允許信號在可部署的介質中傳送,而自由空間的光需要依賴視距傳播,無法部署于運營建筑或車輛中。于20世紀80年代正式商用化的光纖陀螺儀是光纖傳感器的最早應用之一,現在已經成為穩定系統和導航系統中的關鍵元件。20世紀90年代初,民用行業開始在多種應用中實現各種類型的光纖傳感器,用于測量溫度、應變、壓力等參數。


      工程師還開始做了基于光纖布拉格光柵(FBG)的傳感器試驗。光纖光柵傳感器憑借其復用和準分布式功能,與現有的光纖傳感技術相比具有獨特的優勢。到2000年,民用行業中就已經出現許多常見應用,包括監視歷史建筑中關鍵部件的變形、監視橋梁中關鍵點的應變以及觀察混凝土凝固時的行為等。這些應用中大多數使用各種干涉儀傳感器,其中大部分不能復用。


      光纖光柵傳感器在很大程度上替代了民用、石油和天然氣以及航空應用中的這些技術。舉例來說,光纖光柵傳感器就經常在石油和天然氣領域中用來監視關鍵鉆井工具上的壓力和其它參數。同樣,航空業也一直在將光纖光柵傳感器用于建筑健康監視、負載測試和疲勞測試。


      21世紀00年代初,另外一種光纖傳感技術——分布式傳感出現了,并在石油和天然氣行業中展示出非常大的潛力。這些技術主要用來測量沿著整條光纖的溫度,幫助改進各種鉆井工藝,包括泄漏檢測、注入過程監視以及流量圖創建。雖然它們提供分布式測量,但這些技術具有很慢的刷新率(在兩次采集之間的間隔至少好幾秒),空間分辨率在米數量級。


           內在和外在傳感器是光纖傳感器的兩大類。外在傳感器使用光纖將光線導入檢測區域,光在這個區域離開波導,并在另一種介質中被調制。而對內在傳感器來說,光一直保持在波導內,因此它測量的是光沿著光纖傳播時的光信號效應。


      光纖本身就是傳感器的內在光纖傳感器技術近年來得到了很大的發展。內在傳感器有兩種不同的技術:散射或光纖光柵。散射技術可以沿著光纖提供完全分布式的數據點,而光纖光柵技術既可以實現少量的檢測點,也可以實現準分布式的數據點。通過在整條光纖上放置光纖光柵,工程師可以分析反射光的變化,并通過解調這些信息提供精確的測量。散射技術完全不使用光纖光柵,而是利用光纖內自然發生的隨機不完美信號獲得讀數。由于光纖光柵通常都被制造成精良的傳感器,因此它們具有比散射技術高得多的信噪比。


      應變計、熱電偶和液位傳感器只關心一些關鍵點,而分布式光纖傳感器卻可以提供關鍵點之間的更多信息,因此可以幫助工程師實現對整個應變域、溫度分布和其它參數的精確測量。散射和光纖光柵使用不同的解調技術。散射技術通過解調自然發生的拉曼、布里淵或瑞利后向散射信號獲得有用的數據。光纖光柵技術最常用的解調技術是波分復用(WDM)。然而在某些場合光頻域反射計(OFDR)具有比波分復用更大的優勢。


      波分復用可以覆蓋很長的距離并快速獲取數據,而且這種技術支持一條光纖上配置多個光柵;然而,每增加一個光柵都會顯著降低數據刷新率。波分復用測量的典型參數包括應變和溫度,雖然在某些場合它也可以連接單個加速度計或壓力傳感器。另外,波分復用只允許用戶監視關鍵點,無法監視整個信息域;谶@個理由,要求很高采集速度和只需少量數據點的應用,比如監視汽車碰撞測試中的部件,就非常適合使用波分復用技術。


      拉曼、布里淵或瑞利散射技術可以覆蓋數公里的距離,并提供完整的分布式信息。與波分復用不同,散射技術是完全分布式的,這意味著它們可以獲得整條光纖上的數據,而不只是幾個關鍵點。雖然瑞利散射可以獲得應變數據,但市場上的許多系統只能測量溫度或聲信號,這些系統被稱為分布式溫度傳感系統(DTS)或分布式聲檢測系統(DAS)。散射技術是必須覆蓋好幾公里但不要求高精度高刷新率的應用的理想之選。舉例來說,監視管道以防止被破壞的應用只要求米數量級的空間分辨率,并且不要求很高的數據采集速度。


      光頻域反射計(OFDR)是經常與光纖光柵傳感器一起使用的另外一種不同解調技術,光柵被放置在兩端,可實現完全分布式的傳感光纖。OFDR擁有比散射技術高得多的空間分辨率,而光柵數量也比波分復用多得多。OFDR具有的一種獨特優勢是即使增加傳感器數量也能保持很高的數據刷新率。高空間分辨率、快速刷新率、很多的傳感器數量以及完全分布式特性使得OFDR已經成為目前市場上最復雜的傳感技術之一。與散射技術和波分復用技術不同,OFDR的一些應用可以將多種技術整合成單一的強大平臺。除了檢測應變和溫度外,OFDR技術還能判斷2D變形、3D形狀、液位、壓力、工作負荷和磁場。由于平臺的通用性,工程師可以用一個系統解決多個問題,從而使得這個行業更有效率和效益。

       光頻域反射計的實際使用案例


      航空航天


      應力和應變是判斷飛行器壽命和操作安全的主要參數。航空公司和航天機構一直在努力尋找更安全的設備和工藝。然而,現有技術使得監視并保持飛機和航天器結構安全的難度和成本都很高。另外,現有技術不能明確地指示一架飛機或航天器何時壽命終止。


      由于可以在頭發絲細的光纖中包含成千個傳感器,光纖傳感器解決方案可以提供詳細的飛行器健康信息。例如通過在航天領域使用光纖傳感器,工程師可以:


      ●盡量減少飛行器的故障時間,精準調整維修保養計劃

      ●通過本質安全的燃油量測量改進燃油消耗

      ●監視翅膀和其它易變形部件的形狀

      ●判斷飛行器何時達到終了壽命

      ●理解復雜的機身對飛行條件的響應

      ●在飛行過程中向控制系統提供反饋數據


      通過使用光纖傳感器技術,工程師可以通過連續監視應變、溫度、應力、負載、機外變形和3D形狀來測試、監視和分析材料結構的完整性并捕獲飛行器部件的位置反饋數據。工程師可以借助這些數據提高飛行器的安全性、延長使用壽命、減少維修時間并增強飛行效率——所有這些成果最終都將反映為成本的下降。


      醫療


      光學形狀傳感器的小直徑和化學惰性使得光纖傳感器技術成為醫療應用的理想選擇。這些特性允許光纖傳感器與現有的微創技術結合在一起。利用光纖傳感器技術可以向外科醫生提供有關整個儀器長度的位置信息,不需要使用x射線或超聲波。3D數據可以實時繪制出來,并顯示在監視器上,用于展示儀器的位置。這種圖像還可以與身體內已知的位置坐標進行比較,幫助內科醫生將內窺鏡尖端發送的參考視頻與儀器其余部分如何放置及位于何處結合起來。這種改良的位置感知有助于實時的儀器引導,最大限度地減少向病人身體內注入外來材料,并遠離輻射。


      在醫療行業內使用光纖傳感器的好處包括:


      ●改進MRI系統中的成像技術

      ●輔助血管操作和檢測,以識別血管堵塞的嚴重性

      ●在微創手術和探測過程中判斷目標形狀

      ●實現更高分辨率的儀器跟蹤,同時盡量降低與傳統成像方法相關的復雜性

      ●盡量減少向身體內注入外來材料


      能源


      光纖傳感器也是海底立管監視應用的理想之選,因為它能提前收集實時的張力、扭矩和形狀信息。海底立管設計可以承受工程師從未見過的某些最復雜負荷和惡劣環境。立管的動態特性、它的部件及其環境使得它容易受到結構性應力、疲勞應力、材料磨損、機械性能劣化、沖擊和環境引起的負荷。由于這些和其它因素,傳感器和使用儀器測量立管對負荷的結構性響應的能力就顯得非常重要。


      通過在各種能源應用中使用光纖傳感器可以:


      ●最大限度地提高立管和鉆井平臺的完整性

      ●根據變形和旋轉信息向風力機葉片提供控制系統反饋

      ●監視風力機葉片的結構完整性

      ●檢測核電站部件結構性的健康和校準信息


      光纖傳感器的未來


      光纖傳感器的價格及尺寸是光纖傳感技術的普及目前面臨的兩大障礙。一旦這些問題得到解決,我們就有望看到在新的行業中更多的使用案例。


      就拿時尚行業來說。未來人們可以將傳感器插入服裝的某塊縫合處,提供有關個人的體形、身高、重量分布等所有數據和信息。這些數據再用來為該穿戴者設計專門的服裝。這將徹底沖擊時尚業,根本改變服裝設計生產的方法。想象一下在網上購物,衣服到你手中時已經經過剪裁完美地適合你的身材,簡直太酷了。


      讓我們再看看汽車行業。通過在整個汽車結構件中插入光纖傳感器,我們可以接收到有關汽車如何響應周邊環境變化的實時反饋,或監視某個汽車部件何時需要更換。這些工作都可以實時完成,并在緊急情況可能發生之前提醒駕乘人員。


      在建筑領域,光纖可以放進樓宇或道路中,用于監視和判斷建筑材料在長時間使用過程中受環境影響的程度,并在問題發生之前及早檢測出來。


      內在光纖傳感技術在空間分辨率、刷新率和檢測長度方面的優勢已經幫助提升了許多行業解決問題的能力。光纖傳感器收集的數據和信息不僅有助于工程師解決當前的問題,還有助于未來的推陳出新。隨著這種技術的不斷發展,諸如航天、能源和醫療等領域的設計和應用也會越來越先進。隨著工程師通過創新不斷地挖掘技術的潛力,傳感檢測系統還能夠解決萌芽中的問題。光纖傳感器具有很大的靈活性,足以實現為一種平臺,然后作為關鍵系統的一個組件集成進設計中,用于實現必要的實時監視功能,或單獨作為先進的測試套件使用。