Волоконно-оптический датчик

Волоко́нно-опти́ческий да́тчик — небольшое по размерам устройство, в котором оптическое волокно используется как в качестве линии передачи данных, так и в качестве чувствительного элемента, способного детектировать изменения различных величин.

Элементы, используемые в волоконно-оптических датчиках, полностью пассивны в отношении электричества, что делает их пригодными для применения в различных отраслях.

Волоконно-оптический датчик

Преимущества

Датчики на оптическом волокне обладают целым рядом преимуществ:

• возможность мультиплексирования;
• дистанционные измерения;
• устойчивость к электромагнитным помехам;
• отсутствие электричества в точке измерения;
• долговременная стабильность.

Принципы работы

Точечные датчики

Чувствительным элементом точечных волоконно-оптических датчиков являются волоконные брэгговские решетки. Волоконная брэгговская решетка представляет собой селектирующее зеркало. Это значит, что если завести в оптоволокно излучение от широкополосного источника, то обратно отразится свет с очень узкой спектральной полосой с центром на длине волны Брэгга. Оставшийся свет продолжит идти в оптоволокне без каких-либо потерь. Длина волны Брэгга определяется периодом решетки и показателем преломления сердцевины.

Технология волоконных брэгговских решеток позволяет размещать множество датчиков в одной оптоволоконной линии и производить абсолютные измерения без калибровки. Эти уникальные особенности делают данную технологию наиболее подходящим и надежным решением для продолжительного мониторинга.

Распределённые датчики

Распределённый датчик температуры (distributed temperature sensor) состоит из двух частей — опросного устройства с лазерным источником и оптоволоконного измерительного кабеля. Данная система способна производить измерение температуры на большие расстояния. Принцип работы системы распределённого датчика заключается в следующем: опросное устройство испускает лазерный импульс длительностью 10 нс, который претерпевает обратное рассеивание в каждой точке оптоволоконного кабеля. Анализ спектра обратного рассеивания позволяет определить температуру каждой точки волоконно-оптического кабеля.

Аналогично устроен распределённый акустический датчик (distributed acoustic sensor) — когерентный рефлектометр, только анализируется в нём не изменения спектра, а колебания интенсивности рассеянного излучения. По параметрам этих флуктуаций можно судить о вызвавшем данную акустическую волну источнике. Прибор используется как система мониторинга протяжённых объектов, а также для составления акустических сечений скважин.

Классификация датчиков

Точечные датчики

Существуют точечные датчики различных величин:

• деформации
• температуры
• давления
• вибрации
• угла наклона
• линейных перемещений

Распределенные датчики

Существуют распределенные датчики таких величин как:

• температуры
• деформации

Применения

Благодаря своим уникальным характеристикам, оптоволоконные датчики на основе брэгговских решеток нашли своё применение во многих областях, таких как строительство и геотехника, аэрокосмическая, энергетическая и нефтегазовая промышленность.

Системы мониторинга, основанные на данной технологии, экономически эффективны при использовании на крупномасштабных объектах — там, где необходима установка сотен датчиков для продолжительных измерений различных физических параметров. Волоконные брэгговские решетки также являются самым надёжным решением при работе с агрессивными средами, где датчики находятся в экстремальных условиях.

Отрасль	Применение ВОД
Горнодобывающая отрасль	пожарное извещение в шахтах мониторинг НДС шахтных стволов и горных выработок распределенный термомониторинг конвейрных лент
Нефтяная отрасль	термомониторинг скважин
Газовая отрасль	мониторинг трубопроводов и КС
Гидроэнергетика	мониторинг ГЭС
Электроэнергетика	распределенный мониторинг силового кабеля мониторинг вибрации и температуры генераторов дуговая защита ячеек распределительных устройств 6-35 кВ
Строительство и ЖКХ	мониторинг элементов конструкции зданий (фундамент, несущие конструкции, балки и перекрытия) мониторинг мостов, эстакад мониторинг «умного дома» мониторинг состояния теплотрас
Авиация и космос	внедрение чувствительных элементов в композиционные материалы (мониторинг деформации и температуры) бортовая система мониторинга