Conoscenza

Il rilevamento in fibra ottica trasforma una normale fibra ottica in un sensore lungo e continuo. Invece di trasportare solo dati, la fibra trasporta luce le cui proprietà cambiano quando la temperatura, la tensione, la pressione o le vibrazioni agiscono sul cavo. Leggendo questi cambiamenti, un sistema di rilevamento può segnalare cosa sta succedendo - e di solito esattamenteDovesta accadendo - su distanze da pochi metri a decine di chilometri. Questa guida illustra passo dopo passo come funziona la tecnologia, i tre tipi principali e come differiscono, dove si adatta ciascuno e i limiti attorno ai quali vale la pena pianificare.

Che cos'è la tecnologia di rilevamento in fibra ottica?

Il rilevamento in fibra ottica è un metodo di misurazione che utilizza la fibra ottica stessa come elemento di rilevamento. Una sorgente luminosa lancia la luce nella fibra; mentre la luce viaggia, le condizioni esterne alterano leggermente la sua intensità, lunghezza d'onda, fase, polarizzazione o il modo in cui si disperde all'interno del vetro. Uno strumento all'estremità della fibra legge tali alterazioni e le converte in misurazioni fisiche come temperatura, deformazione o vibrazione.

Poiché il punto di rilevamento è in vetro e non trasporta corrente elettrica, il rilevamento in fibra ottica è immune alle interferenze elettromagnetiche e può essere implementato in modo sicuro in ambienti esplosivi o chimicamente aggressivi - qualità importanti su condutture, sistemi di alimentazione, tunnel e ponti in cui i sensori elettrici hanno difficoltà. La stessa fibra può fungere sia da sensore che da percorso del segnale, mantenendo semplice l'hardware sul campo. La fibra è in genere uno standardfibra ottica mono-modaleper sistemi di deformazione, acustici e Brillouin, mentre i sistemi Raman-solo temperatura spesso funzionano su fibra multimodale.

Come funziona la tecnologia di rilevamento in fibra ottica?

Ogni sistema di rilevamento in fibra ottica segue la stessa catena: inviare luce, lasciare che l'ambiente la modifichi, leggere la luce che ritorna e tradurre il cambiamento in una misurazione. Ecco cosa succede in ogni fase.

1. La luce viaggia attraverso la fibra

Una sorgente laser o a banda larga lancia la luce - solitamente una serie di brevi impulsi - nel nucleo della fibra, dove la riflessione interna totale la mantiene guidata lungo la lunghezza del cavo. In un sistema di rilevamento questa luce è la sonda: tutto ciò che la colpisce nel suo percorso diventa informazione.

2. L'ambiente cambia la luce

Quando la temperatura, la deformazione, la pressione o la vibrazione agiscono su una sezione di fibra, modificano leggermente il vetro - la sua lunghezza, il suo indice di rifrazione o la spaziatura delle strutture interne. Questi piccoli cambiamenti fisici modificano una o più proprietà della luce: la sua lunghezza d’onda, intensità, fase, polarizzazione o lo spettro della porzione che si disperde all’indietro. La dimensione dello spostamento è proporzionale alla forza dell’effetto esterno, che è ciò che rende possibile la misurazione calibrata.

3. La luce si riflette o si disperde

Parte della luce ritorna verso la sorgente. In alcuni sensori viene riflesso da una struttura intenzionale scritta nella fibra, come un reticolo di Bragg in fibra. Nei sistemi distribuiti è il vetro stesso a disperdere un debole flusso di luce lungo l'intera fibra senza componenti aggiunti. In ogni caso, la luce di ritorno porta con sé l’impronta di ciò che ha agito sulla fibra.

4. Un interrogatore legge e localizza il segnale

Uno strumento chiamato interrogatore (o demodulatore) misura la luce di ritorno. Per i sistemi distribuiti calcola anche il tempo impiegato dalla luce per ritornare - la stessa idea di un riflettometro ottico nel dominio del-dominio del tempo (OTDR). Poiché la velocità della luce nella fibra è nota, il tempo di andata e ritorno- individua la posizione di ogni cambiamento lungo il cavo. L'interrogatore converte quindi il cambiamento ottico in una lettura calibrata di temperatura, deformazione o vibrazione, con una posizione allegata.

La luce entra, l'ambiente lascia il segno su quella luce, la luce ritorna e un interrogatore trasforma il cambiamento - e il luogo in cui è avvenuto - in una misurazione.

Principali tipi di tecnologie di rilevamento in fibra ottica

Il rilevamento in fibra ottica viene solitamente raggruppato in tre famiglie in base al numero di punti lungo la fibra che possono essere misurati e al modo in cui avviene il rilevamento.

Rilevamento puntuale in fibra ottica

Un sensore puntiforme misura una singola posizione. Un elemento di rilevamento dedicato risponde a un parametro - temperatura, pressione o accelerazione, ad esempio - e il design è semplice e relativamente economico.

L'esempio più comune è ilreticolo in fibra di Bragg (FBG). Un reticolo è una variazione periodica dell'indice di rifrazione del nucleo della fibra, creata esponendo il nucleo a un intenso schema di interferenza ultravioletta. Il reticolo riflette una lunghezza d'onda specifica - la lunghezza d'onda di Bragg - e lascia passare il resto. Quando la tensione allunga il reticolo o il calore lo espande, la spaziatura cambia e la lunghezza d'onda riflessa cambia; l'interrogatore legge lo spostamento e lo converte in un valore. Vicino alla lunghezza d'onda di 1550 nm, la lunghezza d'onda riflessa di un tipico FBG si muove nell'ordine di un picometro per microdeformazione di allungamento e di diversi picometri per grado Celsius di riscaldamento. La ricerca ed i programmi aerospaziali hanno caratterizzato nel dettaglio questa duplice sensibilità, ancheValutazioni della NASA dei sensori di deformazione FBG incorporatia temperature elevate. Altri sensori puntiformi includono giroscopi laser esensori di campo magnetico in fibra-otticaper misurazioni specializzate.

Rilevamento quasi-distribuito in fibra ottica

Un sistema quasi-distribuito collega diversi sensori puntiformi in serie lungo una fibra - ad esempio, una stringa di FBG, ciascuno dei quali riflette una lunghezza d'onda leggermente diversa in modo che l'interrogatore possa distinguerli. Una fibra può quindi segnalare temperatura, vibrazione, pressione o deformazione in molte posizioni distinte contemporaneamente. Il compromesso-è insito nella fisica: il numero di sensori su una singola fibra è limitato dalla larghezza di banda della sorgente e dalla finestra di lunghezza d'onda che ciascun reticolo può occupare, e la fibra non rileva nulla negli spazi tra gli elementi. Approcci correlati al-reticolo in fibra, comesistemi di rilevamento a reticolo a lungo-periodo, seguono principi simili con comportamenti spettrali diversi.

Rilevamento distribuito in fibra ottica

Un sistema distribuito utilizza la fibra nuda come un sensore continuo, senza punti di rilevamento discreti. Si basa sulla luce che si disperde naturalmente all'interno del vetro e legge come quella luce diffusa cambia lungo l'intera lunghezza. Tremeccanismi di diffusione-della lucevengono utilizzati, ciascuno adatto a parametri diversi:

• Diffusione di Rayleighè un processo elastico che non sposta la frequenza della luce. È il più potente dei tre e costituisce la base del rilevamento acustico e delle vibrazioni distribuito (DAS/DVS), in cui misurazioni rapide e singole- tengono traccia delle sollecitazioni dinamiche come il suono e le vibrazioni.
• Diffusione Ramanproduce luce la cui intensità dipende dalla temperatura, il che la rende la base del rilevamento della temperatura distribuita (DTS).
• Diffusione Brillouinvariazioni di frequenza sia con la deformazione che con la temperatura, quindi è alla base della deformazione distribuita e del rilevamento della temperatura su lunghe distanze.

Poiché il sistema campiona l'intera fibra anziché i punti fissi, un singolo cavo può fornire migliaia di posizioni di misurazione effettivamente continue su decine di chilometri. Questa copertura è la ragione per cui il rilevamento distribuito è cresciuto rapidamente per asset lunghi e lineari in cui un problema potrebbe verificarsi ovunque.

Rilevamento puntuale vs quasi-distribuito vs distribuito in fibra ottica

Le tre famiglie rispondono a domande diverse. Il rilevamento puntuale chiede "cosa sta succedendo in questo punto?"; quasi-distributed chiede "cosa sta succedendo in questi punti conosciuti?"; distribuito chiede "cosa sta succedendo da qualche parte lungo questo percorso?" La tabella seguente riassume le differenze pratiche.

Applicazioni comuni del rilevamento in fibra ottica

• Monitoraggio delle tubazioni e rilevamento delle perdite.Una fibra posata lungo una conduttura di petrolio, gas o acqua può segnalare una perdita come un'anomalia della temperatura locale (DTS) e rilevare scavi o interferenze di terze parti-come una firma di vibrazione (DAS) - un'inquadratura più accurata rispetto alla frase generica "petrolio e gas" talvolta utilizzata per questo caso d'uso.
• Sicurezza del perimetro e dei confini.Il rilevamento distribuito delle vibrazioni rileva e classifica i passi, i veicoli, le arrampicate o gli scavi lungo una linea di recinzione o un percorso sepolto, che costituisce la base dirilevamento delle intrusioni perimetrali in fibra-.
• Monitoraggio cavi elettrici e rete.DTS tiene traccia della temperatura dei cavi ad alta-tensione per gestire il carico e individuare i punti caldi; per lo sfondo vedere questa panoramica dimonitoraggio distribuito della temperatura.
• Rilevazione incendi di gallerie ed edifici.La profilazione continua della temperatura genera un allarme nel punto esatto in cui il calore aumenta, ben prima che un rilevatore a punto singolo-riscontri.
• Monitoraggio dello stato di salute strutturale.Gli FBG e il rilevamento della deformazione distribuito misurano il carico, la deflessione e la fessurazione di ponti, dighe, tunnel e grandi strutture composite durante la loro vita utile.

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Vantaggi e limiti del rilevamento in fibra ottica

Come ogni tecnologia di misurazione, il rilevamento in fibra ottica è particolarmente adatto in alcune situazioni e inadeguato in altre. L'impostazione di entrambi i lati semplifica la selezione.

Dove eccelle:

• Immune alle interferenze elettromagnetiche, poiché il punto di rilevamento è in vetro passivo senza componenti elettronici nel campo.
• Sicuro in ambienti esplosivi o corrosivi dove i sensori elettrici sono rischiosi.
• Un cavo può sostituire centinaia di sensori discreti e il relativo cablaggio e funge anche da percorso dati.
• I sistemi distribuiti forniscono una copertura continua con la posizione, non solo letture isolate.

Dove ha limiti:

• L'interrogatore è la parte costosa, quindi i lavori brevi-a punto singolo sono spesso più economici con i sensori convenzionali.
• "Alta precisione" è condizionale. Per i sistemi distribuiti, la risoluzione spaziale, la portata di rilevamento e la frequenza di campionamento sono in contrasto tra loro e "distribuito" non significa precisione illimitata.
• La precisione del posizionamento dipende dal metodo di rilevamento, dal modo in cui il cavo viene instradato e accoppiato alla struttura, dalla frequenza di campionamento, dall'interrogatore e dall'algoritmo di analisi.
• La progettazione, l'installazione e l'interpretazione necessitano di competenze specialistiche.

Come scegliere il giusto metodo di rilevamento in fibra ottica

Inizia dalla domanda a cui hai effettivamente bisogno di una risposta, quindi abbinala a un metodo:

• Un punto critico, misurato con precisione- un sensore puntiforme come un FBG.
• Una manciata di posizioni conosciute su una struttura- un array FBG quasi-distribuito.
• Un lungo percorso in cui i guai potrebbero apparire ovunque- un sistema distribuito: DTS per temperatura e incendio, DAS/DVS per vibrazioni e intrusione, Brillouin per deformazione.

Una volta che il metodo è chiaro, confronta parametri specifici prima dell'acquisto: distanza di rilevamento richiesta, risoluzione spaziale, frequenza di misurazione (frequenza di campionamento), percorso del cavo e modalità di fissaggio alla risorsa, compatibilità dell'interrogatore con la fibra e i sensori che intendi installare.