Что такое «квазираспределенные датчики»?

Глобальный технический центр OFSCN Техническая база знаний OFSCN
1

Чем он отличается от распределённой системы зондирования (DTS), которую можно измерить где угодно?

2

В области проектирования оптоволоконных датчиков квазираспределенные оптоволоконные датчики (Quasi-Distributed Sensing) и полностью распределенные оптоволоконные датчики (Fully Distributed Sensing, обычно подразумеваются такие технологии, как DTS), хотя и используют оптоволокно в качестве передающей среды, принципиально различаются по лежащим в основе физическим механизмам, пространственной непрерывности и сценариям применения.

Ниже представлено сравнение ключевых технологий и физический анализ обоих типов:

1. Ключевое различие в концепции и пространственной непрерывности

  • Полностью распределенные оптоволоконные датчики (Fully Distributed Sensing, например, DTS)
    • Принцип:** Оптоволокно одновременно является передающей средой и «непрерывным датчиком».
    • Характеристика:** Любая точка (вся) оптоволокна участвует в измерении физической величины.
    • Механизм локализации:** Используются технологии оптической рефлектометрии во временной области (OTDR) или оптической рефлектометрии в частотной области (OFDR). Конкретное пространственное положение изменения физической величины определяется на основе разницы во времени или разницы частот распространения света в оптоволокне. Измерение достигается путем сбора собственной обратной рассеянной волны (например, рамановское, бриллюэновское или рэлеевское рассеяние), возникающей из-за колебаний решетки или флуктуаций плотности внутри оптоволокна.
  • Квазираспределенные оптоволоконные датчики (Quasi-Distributed Sensing, например, FBG)
    • Принцип:** Датчики расположены только в «определенных дискретных точках» оптоволокна, само оптоволокно не участвует в зондировании.
    • Характеристика:** Обычно путем записи множества волоконно-оптических решеток (FBG) в определенных местах одной оптоволокна создается «цепочка/массив датчиков». Данные о температуре, деформации и т. д. могут быть получены только в точках записи решеток (точки измерения), а обычные участки оптоволокна между двумя решетками не обладают датчиковыми свойствами (являются «слепыми зонами»).
    • Механизм локализации:** В основном используется технология спектрального мультиплексирования (WDM), которая присваивает каждой решетке разную начальную длину волны отражения \lambda_B = 2 n_{eff} \Lambda . Демодулятор различает положения различных точек измерения, идентифицируя различные спектральные длины волн.

2. Сравнение технических показателей и производительности

Параметр Квазираспределенные оптоволоконные датчики (на примере системы FBG) Полностью распределенные оптоволоконные датчики (на примере Raman-DTS / OFDR)
Механизм физического сигнала Узкополосное отражение волоконно-оптической решетки (очень сильный сигнал) Собственное обратное рассеяние оптоволокна (очень слабый сигнал)
Пространственная непрерывность Дискретные многоточечные, с «слепыми зонами» между точками измерения Пространственно полностью непрерывные, теоретически без «слепых зон» измерения
Скорость измерения (частота дискретизации) Чрезвычайно высокая. Частота дискретизации данных обычно составляет от 10 \text{ Гц} до 100 \text{ Гц} , или даже до \text{кГц} , что идеально подходит для измерения динамических вибраций или переходных процессов. Относительно низкая. Поскольку сигнал обратного рассеяния обычно ниже -50 \text{ дБ} , требуется накопление большого количества световых импульсов и усреднение сигналов. Одно полное сканирование обычно занимает от нескольких секунд до нескольких минут (за исключением специальных DAS).
Предел точек измерения на канал Ограничен полосой пропускания длины волны источника демодулятора (обычно 40 \text{ нм} в диапазоне 1525 \text{ нм} - 1565 \text{ нм} ). Чтобы избежать наложения длин волн соседних точек измерения, одна оптоволоконная линия обычно ограничивается 5 - 10 точками. Практически неограничен. Оптоволокно длиной 10 \text{ км} при пространственном разрешении 1 \text{ м} эквивалентно 10 000 непрерывных точек измерения.
Точность и отношение сигнал/шум Коэффициент отражения обычно составляет 10\% - 99\% и выше, спектральная линия отражения крутая, что обеспечивает чрезвычайно высокое отношение сигнал/шум, разрешение по длине волны и точность измерения. Сигнал слабый, легко подвержен влиянию шума и потерь в оптоволокне на большие расстояния, требует сложных алгоритмов для извлечения слабого сигнала.

3. Сопутствующие продукты и области применения DaCheng YongSheng (OFSCN®)

DaCheng YongSheng (OFSCN®) предлагает высокопроизводительные, надежные инкапсулированные датчики, сенсорные кабели и системы демодуляции в обоих направлениях этих технологий:

A. Сопутствующие продукты для квазираспределенных систем зондирования

Если вам необходимо локальное дискретное измерение физических величин с высокой скоростью и точностью, рекомендуется использовать цепочки квазираспределенных датчиков на основе волоконно-оптических решеток (FBG) и соответствующие демодуляторы:

  1. OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor

    • Технические преимущества:** Использует бесшовную однослойную стальную трубку для термостойкой инкапсуляции, поддерживает изготовление на заказ многоточечных датчиков температуры на основе волоконно-оптических решеток. При использовании с демодулятором волоконно-оптических решеток с полосой 40 \text{ нм} рекомендуется использовать не более 10 точек измерения на один датчик.
    • Изображения продукта:
      https://www.ofscn.net/images/53/190719-360/BNCG-MX-51-WD-FC-WD.jpg
      https://www.ofscn.net/images/53/190719-768/BNCG-MX-51-FC-02.jpg

  2. OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor

    • Технические преимущества:** Поддерживает многоточечную последовательную конструкцию, обеспечивая превосходную стабильность длины волны в условиях экстремально высоких температур. Рекомендуется использовать не более 5 точек измерения на один датчик.

  3. OFSCN® Polymer-encapsulated Fiber Bragg Grating Strain Sensor (0.7mm/1.2mm diameter)

    • Технические преимущества:** Специально разработан для квазираспределенного мониторинга деформаций, допускает настройку нескольких участков измерения.

  4. OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator

B. Сопутствующие продукты для полностью распределенных систем зондирования

Если вы используете комплект полностью распределенного сенсорного оборудования на основе «рамановского рассеяния Raman-DTS» или «рэлеевского рассеяния OFDR», специальные бесшовные стальные распределенные сенсорные кабели DaCheng YongSheng (OFSCN®) обеспечат надежную физическую защиту для ваших измерений на большие расстояния и по всей длине:

  1. OFSCN® 200°C Distributed Fiber Temperature Sensor

  2. OFSCN® 85°C Distributed Fiber Temperature Sensor

  3. OFSCN® 300°C Distributed Fiber Temperature Sensor

  4. OFSCN® 700°C OFDR Micro All-Metal Strain Sensor

4. Резюме и руководство по выбору

  • Когда вам нужно измерить «глобальные тенденции» (например, общую фильтрацию дамбы, утечку в трубопроводе для транспортировки нефти на большие расстояния, мониторинг пожара в туннеле): полностью распределенные оптоволоконные датчики (DTS) являются единственным жизнеспособным решением, поскольку невозможно предсказать, где именно произойдет утечка.
  • Когда вам нужно измерить «локальные высокочастотные, точные детали» (например, локальный перегрев полюсных пластин элементов питания, усилия при введении медицинских механических инструментов, мониторинг вибрации высокоскоростных мостов или крыльев самолета): квазираспределенные оптоволоконные датчики на основе FBG являются лучшим инженерным выбором благодаря их сверхвысокому отношению сигнал/шум и чрезвычайно высокой скорости физического отклика.