光纤传感

什么是光纤传感?

光纤传感利用光在经过光纤时的物理性质来检测温度、应变和其他参数的变化。光纤传感利用光纤作为传感器,在光纤沿线创建数千个连续的传感器点。这称为分布式光纤传感。

对光纤本身进行测量的设备通常称为询问器。其用途是使用标准或特定光纤,通过瑞利和布里渊分布式光纤传感器技术来测量光纤沿线的温度和应变。

Fiber Optic Sensing


例如,通过使用光纤传感问询器,用户能够:

  • 检测和定位电源线沿线的任何过热点。
  • 检测和定位光缆上的任何过度应变,并在断裂之前作出反应。

下面是光纤传感应用的示例:

Fiber Optic Sensing

光纤传感如何工作?

光缆可充当测试工作站与外部传感器之间的通信途径,这称为外部传感。但是,当光纤本身充当光纤传感系统时,这称为内部光纤传感。

这种光纤传感技术的好处在于,光纤和外部传感器之间不需要分立接口,从而降低了复杂性和成本。为了实现这一点,诸如温度和应变波动等外部刺激需要以可测量的方式影响光缆内的光源,以便提供有用的数据。

当可见光子在接触光纤内的颗粒后随机散射时,这称为瑞利散射。这一原理已证明可用于各种类型的光纤测试技术(例如 OTDR 光纤测试),因为利用反向散射到检测器的光的光量、波长和位置可以确定光纤内衰减事件的大小和位置。

同样,瑞利散射可在反向散射到斯托克斯带中的光源的光子内产生温度诱致的变化。通过测量斯托克斯带和反斯托克斯带中反向散射光的强度差异,就可以准确地确定光纤沿线任何给定位置的温度。

布里渊散射是一种类似的现象,在这种现象中,反向散射光的波长会以可预测的方式受到外部温度和声频刺激的影响。在同时与温度背景知识结合使用时,这一数据可用于准确地确定光纤所受到的应变,并可加以分析来确定光纤的哪些区域受到了影响。

分布式光纤传感

瑞利和布里渊散射在分布式光纤传感 (DFS) 中得到了有效运用。瑞利散射用于分布式温度传感 (DTS),布里渊散射用于分布式温度和应变传感 (DTSS)。这些测量不会受到光纤光损耗的影响,因此可以使用它们来准确监控超过数十千米光纤上的温度和应变。

在此上下文中,“分布式”仅仅是指可在光纤的整个长度内进行连续测量的光纤传感技术。本质上,光纤本身就是传感器。由于光纤传感方法完全是本身所固有的,因此可以使用标准电信光纤作为媒介,前提是温度应不超过 100℃ (212℉),并且光纤没有遭受过度的化学或机械损坏。

光纤传感的演变历程

在上世纪 70 年代光纤作为一种通信方法出现之前,人们已经意识到了用于传感应用的光纤的明显潜力。光激性传感器(一种用于非接触式振动测量的外部光纤传感器)在 1967 年获得了专利。到 20 世纪 80 年代中期,已经确立了光纤陀螺仪原理。通过跟踪光纤内含的激光光源的相位偏移,可以获得精确的旋转数据。

针对通信光纤开发出的相同组件和基础架构(包括单模光纤以及耦合器和分路器)同样适用于光纤传感基础架构。电刺激抗扰性、超远距离以及抗蚀能力都是对光纤传感有利的额外特性。尽管 20 世纪 70 年代就开发出了第一款本征光纤传感产品,但直到 20 世纪 90 年代早期,分布式光纤传感才在温度、应变、压力、声学和其他测量中得到广泛运用。在 20 世纪 90 年代晚期,石油和天然气行业率先意识到了光纤分布式温度传感系统的极大好处。

在这同一时期,通过将经过修改的光纤结构与组成整条光纤图案的显微可见光学“反射镜”结合使用,开发出了光纤布拉格光栅。尽管这一发现是在一系列氩离子光实验中意外发现的,但它已经证明对某些类型的光纤传感很有用。

光栅充当滤波器,反射特定波长并允许其他波长通过。反射的波长也可能因温度、应变或压力而异,所以会在光纤中的每个光栅处创建一个特定的特征。尽管这种格式已在许多行业得到有效运用,但它需要专门的光纤结构和非常高分辨率的波长分析,从而使其对于某些分布式光纤传感应用而言成本过高,无法实施。

2017 年建立了非营利性的光纤传感协会 (FOSA),旨在向公众、政府和业内人士提供光纤传感效益方面的培训。FOSA 以大量当前和潜在效率为基础制作培训内容,为使用光纤传感来影响像地震活动、人口贩运和运输这样多样而深远的课题提供支持。该协会及其领导层已经针对开创性的光纤传感技术表达了意见。


分布式光纤传感可以应用在哪些方面?

以下是可以使用光纤传感询问器实现的一些应用。

  • 光网络传感:保护、检测或监控光纤网络
  • 基础设施监控传感:通过将光纤用作探测设备,可以使用光纤来执行基础设施监控。在此用例中,用户可以沿关键基础设施(例如桥梁、管道、安全孔径或堤壁)部署光纤,在光纤的突发应变、运动或温度导致基础设施出现损坏或故障风险时引发警报。可以使用这种技术来保护开口(例如通道和井盖)的安全,在开口出现破裂时生成警报。 

使用 VIAVI 光纤传感询问器可以实现若干基础设施监控应用。

  • 检测管道沿线的地层位移
  • 检测管道的机械变形
  • 检测和定位管道、壕沟、堤坝等沿线的任何泄漏
  • 检测和定位电信光网络中的任何临界点
  • 检测和定位电源线沿线的任何过热点
Hotspots and leakage

VIAVI 提供了哪种类型的光纤传感询问器?

VIAVI 光纤传感产品组合包括:

  • 基于瑞利 OTDR 技术的 DTS(分布式温度传感)
  • 基于布里渊 OTDR 技术的 DTSS(分布式温度和应变传感)

如何才能定期检测基础设施?

使用包含 DTS 或 DTSS 模块的便携设备(例如 VIAVI MTS-8000 平台),检测人员可以前往现场并对光纤进行现场测量。 或者,通过将 ONMSi 和机架安装式 OTU(光学测试设备)与 DTS 或 DTSS 模块结合使用,可以通过定期跟踪(设置为在初始参考轨线发生变化时报警)来监控光纤。 

下面是 VIAVI DTSS 的示例:

  • VIAVI DTSS 询问器为布里渊 OTDR (BOTDR)。用作光纤传感器的光纤中引入了光的短脉冲。向前传播的光会以两种不同的波长从光纤沿线的所有节点中生成布里渊反向散射光。
DTSS MTS Strain

Fiber Sensor Under Test

  • 布里渊反向散射光的波长与正向入射光的波长不同,名为“斯托克斯”和“反斯托克斯”。“斯托克斯”和“反斯托克斯”布里渊电平和频率的差异是光纤沿线温度和应变的图像。

Brillouin Spectra

光纤测试如何缩短关键基础设施或光纤网络的维修 (MTTR)?

光纤监控可在检测到变化时立即发出警报。它还可为光纤上检测到的事件位置提供地理定位的地图精确位置。这样,组织每次都可将技术人员派遣到正确的位置对光纤进行检测或维修,不再需要花费很长时间来查找光纤沿线的问题。详细了解光纤测试

客户将会报告光纤断裂导致的服务中断,但通常在出现断裂时,线缆已经遭受了断裂或损坏事件方面的永久性应变影响。以挖掘机挖到线缆为例。线缆被拉扯拖曳并遭受到应变影响。 应变检测使技术人员能够准确确定线缆的哪个部分需要更换,并使线缆业主能够利用 DTSS 光纤传感证据来追究当事人的损坏责任。 对于恶劣天气和碎片(例如倒在架空电缆上的树枝)导致的损坏,情况也是如此。

Fiber Optic Sensing       Fiber Optic Sensing

当光纤上被施加了过度的应变时,网络的光纤中应会出现最常见但难于诊断的问题。这会使光纤永久性伸长、造成其衰减,并可能会改变其光传输特性。下图展示了使用 DTSS 显示三个应变峰值的应变测试。此光纤的全部三个区域均已受损,但传统的瑞利 OTDR 无法揭示此问题。这些峰值指明此光纤需要更换。

Fiber Optic Sensing

光纤传感的未来会怎样?

在多个行业中已经通过光纤传感实现的好处的基础上,可以安全地假设现有产品的的效能和成本效益将继续改进,就像开发应用新应用程序一样。FOSA 已经深入探索了许多这些可能性,包括在“智能城市”、物联网 (IoT) 集成以及专为更具挑战性的环境设计的创新光纤变体中使用光纤传感。

光纤形状传感是一种新的过程,它能够实时准确地在大跨度的复杂几何形状上放置数据。利用嵌入在感兴趣物体内部或连接到该物体的光纤,可以通过温度、压力和其他参数对像风力涡轮机、隧道和高层建筑这样的结构的形状因数同时进行持续监控和跟踪。

 

在新医疗设备创新中,这种形状传感功能甚至还可用于对人体进行探测和诊断。光纤传感可用于跟踪手术器械、为影像诊断提供支持,甚至能诊断心血管状况。随着边界安全变得越来越重要,进一步运用光纤传感技术还会导致光纤“围栏”的深入部署,通过这些围栏,不必使用笨重的物理屏障便可确定入侵。

尽管通过光纤实现大量数据传输和通信突破已得到广泛认可,但同样通过这些基本组件实现的大量分布式光纤传感功能可能还鲜为人知。随着社会的联系越来越紧密,对监控、安全性和最大程度缩短反应时间的需求也将不断增长。创造性地运用光纤传感将可帮助实现这一需求。


 

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