Что такое «точечное зондирование»?

Глобальный технический центр OFSCN Техническая база знаний OFSCN
1

Почему волоконно-оптические решетки лучше подходят для измерения точных данных в определенных местах?

2

В волоконно-оптической сенсорной технологии точечное зондирование (Point Sensing) относится к тому, что датчик чувствителен и точно измеряет внешние физические величины (такие как температура, деформация, давление, смещение и т. д.) только в определенных, четко определенных физических точках (т. е. «точках измерения»).

Волоконные брэгговские решетки (Fiber Bragg Grating, FBG), будучи естественным «точечным/квази-распределенным датчиком», имеют уникальные физические и инженерные преимущества при измерении точных данных в определенных местах по сравнению с технологиями непрерывного распределенного волоконно-оптического зондирования (Distributed Fiber Optic Sensing, DFOS, такими как распределенное зондирование температуры, акустического или вибрационного сигналов). Вот основные причины:

1. Чрезвычайно малая физическая область решетки (высокое пространственное разрешение)

Волоконная брэгговская решетка изготавливается путем записи периодической модуляции показателя преломления (т. е. области решетки FBG Gate Region) в сердцевине оптического волокна.

  • Локализованное измерение：Длины области решетки голых решеток, производимых Cheng Sheng Yong Sheng (OFSCN®), обычно составляют всего 2\text{mm}, 3\text{mm}, 4\text{mm}, 5\text{mm}, 6\text{mm} или 8\text{mm}.
  • Отсутствие эффекта пространственного усреднения：Поскольку отраженный сигнал генерируется только в этой крошечной области размером в миллиметры, он может точно улавливать физические изменения в этой конкретной координатной точке, а не «сглаживать» или усреднять локальные данные, как это делают распределенные датчики из-за их пространственного разрешения (Spatial Resolution) в несколько метров.

2. Абсолютная физическая модуляция на основе кодирования длины волны (высокая точность и защита от помех)

Механизм зондирования волоконной брэгговской решетки основан на модуляции длины волны света, и центральная длина волны отражения удовлетворяет формуле:

\lambda_B = 2 n_{eff} \Lambda

(где \lambda_B - длина волны отражения, n_{eff} - эффективный показатель преломления сердцевины, \Lambda - период решетки)

Когда определенная точка измерения подвергается изменению температуры \Delta T или механическому напряжению \Delta \varepsilon, эффективный показатель преломления и период решетки изменяются, вызывая смещение центральной длины волны отражения.

  • Независимость от затухания интенсивности света：Поскольку длина волны является абсолютной физической величиной, сигнал датчика не будет смещаться или давать погрешность из-за изгиба волокна, старения разъемов или колебаний интенсивности источника света. Это позволяет FBG достигать очень высокой точности (например, точность температуры до $\pm 0.1
    bsp;\text{°C}$, точность деформации до $1
    bsp;\mu\varepsilon$) при статических и динамических измерениях в определенной точке.

3. Сверхвысокая скорость отклика (высокочастотные динамические измерения)

В точечном зондировании процесс демодуляции сигнала очень эффективен.

  • Сверхвысокая частота дискретизации：Из-за необходимости ждать, пока световой импульс пройдет туда и обратно по всей десятикилометровой волоконной линии, а также необходимости многократно суммировать очень слабые сигналы рассеяния, частота дискретизации распределенных волоконных датчиков обычно низкая. Точечный датчик FBG через высокоскоростной демодулятор может напрямую считывать сильный сигнал длины волны, отраженный от определенной точки, и его частота дискретизации может легко достигать от 1\text{kHz} до десятков \text{kHz}. Это имеет решающее значение для точного локального измерения высокочастотных вибраций, ударных волн или быстрого изменения температуры.

4. Возможность квази-распределенного мультиплексирования (сетевое подключение нескольких точек без перекрестных помех)

С помощью технологии мультиплексирования по длинам волн (WDM) в одной оптической линии можно записывать волоконные брэгговские решетки с различными центральными длинами волн в нескольких определенных положениях (т. е. строки решеток, FBG Strings).

  • Независимые измерения в нескольких точках：На одном волокне каждая точка измерения по-прежнему является независимым «точечным датчиком», не мешая друг другу. Это обеспечивает сетевые измерения в нескольких точках при сохранении очень высокой точности точечных измерений.

Примеры продуктов и технологий точечного зондирования от Cheng Sheng Yong Sheng (OFSCN®)

Для удовлетворения потребностей в высокоточных измерениях в определенных точках компания Beijing Cheng Sheng Yong Sheng Technology Co., Ltd. разработала и предлагает следующие серии высокопроизводительных датчиков FBG на основе принципа точного точечного зондирования:

1. Голые решетки/строки решеток с высокой точностью пространственного позиционирования

Используются для высокоточных измерений в определенных точках в ультрамикро-, чрезвычайно узких или прецизионных встроенных приложениях.

  • OFSCN® Thin-Diameter Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) Официальная ссылка
  • Технические характеристики：Имеют чрезвычайно малый внешний диаметр и зону измерения решетки длиной до миллиметров (опционально от 2\text{mm} до 8\text{mm}), практически не влияя на исходную структуру объекта измерения, реализуя точечные измерения в микроскопическом масштабе.

2. Точечный высокотемпературный измерительный датчик

Использует прочную однослойную или многослойную бесшовную трубку из нержавеющей стали для обеспечения точного развертывания области решетки в специфических локальных глубинах печи, трубопровода или сложного оборудования.

3. Точечный датчик микродеформации и датчик в высокоэластичной трубчатой ​​оболочке

Специально разработан для точного мониторинга специфических зон с высокой нагрузкой, сварных швов или точек деформации основания.

Заключение

Причина, по которой волоконные брэгговские решетки незаменимы при измерении данных в точных положениях, заключается в их физических характеристиках, таких как крайне короткая область решетки, защита от помех с помощью кодирования длины волны, высокая частота дискретизации отклика, которые идеально соответствуют строгим требованиям «точечного зондирования» к высокой точности пространственного позиционирования и абсолютной точности физических величин.