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Die faseroptische Sensorik verwandelt eine gewöhnliche optische Faser in einen langen, durchgehenden Sensor. Anstatt nur Daten zu übertragen, überträgt die Faser Licht, dessen Eigenschaften sich ändern, wenn Temperatur, Belastung, Druck oder Vibration auf das Kabel einwirken. Durch das Lesen dieser Änderungen kann ein Sensorsystem melden, was passiert - und normalerweise genauWoes geschieht - über Entfernungen von einigen Metern bis zu mehreren zehn Kilometern. In diesem Leitfaden erfahren Sie Schritt für Schritt, wie die Technologie funktioniert, welche drei Haupttypen es gibt und wie sie sich unterscheiden, wo jeder einzelne passt und welche Grenzen es wert sind, berücksichtigt zu werden.

Was ist faseroptische Sensortechnologie?

Bei der faseroptischen Sensorik handelt es sich um eine Messmethode, bei der die optische Faser selbst als Sensorelement verwendet wird. Eine Lichtquelle sendet Licht in die Faser. Während sich das Licht ausbreitet, ändern äußere Bedingungen leicht seine Intensität, Wellenlänge, Phase, Polarisation oder die Art und Weise, wie es im Glas gestreut wird. Ein Instrument am Ende der Faser liest diese Veränderungen und wandelt sie in physikalische Messwerte wie Temperatur, Dehnung oder Vibration um.

Da der Messpunkt aus Glas besteht und keinen elektrischen Strom führt, ist die faseroptische Sensorik immun gegen elektromagnetische Störungen und kann sicher in explosionsgefährdeten oder chemisch aggressiven Umgebungen eingesetzt werden - Eigenschaften, die bei Pipelines, Energiesystemen, Tunneln und Brücken von Bedeutung sind, wo elektrische Sensoren Probleme haben. Die gleiche Faser kann sowohl als Sensor als auch als Signalpfad dienen, was die Feldhardware einfach hält. Die Faser ist typischerweise ein StandardSingle--Mode-Glasfaserfür Dehnungs-, Akustik- und Brillouin-Systeme, während Temperatur--reine Raman-Systeme oft auf Multimode-Fasern laufen.

Wie funktioniert die faseroptische Sensortechnologie?

Jedes faseroptische Sensorsystem folgt der gleichen Kette: Licht einsenden, von der Umgebung modifizieren lassen, das zurückkommende Licht lesen und die Änderung in eine Messung umwandeln. Hier erfahren Sie, was in jeder Phase passiert.

1. Licht wandert durch die Faser

Ein Laser oder eine Breitbandquelle sendet Licht -, normalerweise eine Reihe kurzer Impulse -, in den Faserkern, wo es durch Totalreflexion entlang der Länge des Kabels geführt wird. In einem Sensorsystem ist dieses Licht die Sonde: Alles, was es auf seinem Weg durch das Licht beeinflusst, wird zu Information.

2. Die Umgebung verändert das Licht

Wenn Temperatur, Spannung, Druck oder Vibration auf einen Faserabschnitt einwirken, verändert das Glas geringfügig - seine Länge, seinen Brechungsindex oder den Abstand der inneren Strukturen. Diese kleinen physikalischen Veränderungen verändern eine oder mehrere Eigenschaften des Lichts: seine Wellenlänge, Intensität, Phase, Polarisation oder das Spektrum des Teils, der nach hinten gestreut wird. Die Größe der Verschiebung ist proportional zur Stärke des äußeren Effekts, was eine kalibrierte Messung ermöglicht.

3. Licht wird reflektiert oder zurückgestreut

Ein Teil des Lichts kehrt zur Quelle zurück. Bei einigen Sensoren wird es durch eine gezielt in die Faser geschriebene Struktur reflektiert, beispielsweise ein Faser-Bragg-Gitter. In verteilten Systemen streut das Glas selbst ohne zusätzliche Komponenten einen schwachen Lichtstrom entlang der gesamten Faser zurück. In jedem Fall trägt das zurückkehrende Licht den Fingerabdruck dessen, was auf die Faser eingewirkt hat.

4. Ein Vernehmer liest und lokalisiert das Signal

Ein als Interrogator (oder Demodulator) bezeichnetes Instrument misst das zurückkehrende Licht. Bei verteilten Systemen misst es auch, wie lange es dauert, bis das Licht zurückkommt -, die gleiche Idee wie bei einem optischen Zeitbereichsreflektometer (OTDR). Da die Lichtgeschwindigkeit in der Faser bekannt ist, gibt die Umlaufzeit den Ort jeder Änderung entlang des Kabels genau an. Das Abfragegerät wandelt dann die optische Änderung in einen kalibrierten Messwert für Temperatur, Dehnung oder Vibration mit angehängter Position um.

Licht dringt ein, die Umgebung hinterlässt Spuren auf diesem Licht, das Licht kommt zurück und ein Vernehmer wandelt die Änderung - und den Ort, an dem sie aufgetreten ist -, in eine Messung um.

Haupttypen faseroptischer Sensortechnologien

Die faseroptische Sensorik wird üblicherweise in drei Familien eingeteilt, je nachdem, wie viele Punkte entlang der Faser gemessen werden können und wie die Sensorik erfolgt.

Punktuelle faseroptische Erfassung

Ein Punktsensor misst einen einzelnen Standort. Ein dediziertes Sensorelement reagiert auf einen Parameter - Temperatur, Druck oder Beschleunigung, zum Beispiel - und das Design ist einfach und relativ kostengünstig.

Das häufigste Beispiel ist dasFaser-Bragg-Gitter (FBG). Ein Gitter ist eine periodische Variation des Brechungsindex des Faserkerns, die dadurch entsteht, dass der Kern einem intensiven ultravioletten Interferenzmuster ausgesetzt wird. Das Gitter reflektiert eine bestimmte Wellenlänge - die Bragg-Wellenlänge - und lässt den Rest passieren. Wenn Spannung das Gitter dehnt oder Wärme es ausdehnt, ändert sich der Abstand und die reflektierte Wellenlänge verschiebt sich; Der Abfrager liest diese Verschiebung und wandelt sie in einen Wert um. Nahe der Wellenlänge von 1550 nm bewegt sich die reflektierte Wellenlänge eines typischen FBG in der Größenordnung von einem Pikometer pro Mikrodehnung der Dehnung und mehreren Pikometern pro Grad Celsius Erwärmung. Forschungs- und Raumfahrtprogramme haben diese doppelte Empfindlichkeit detailliert charakterisiert, unter anderemNASA-Bewertungen eingebetteter FBG-Dehnungssensorenbei erhöhten Temperaturen. Andere Punktsensoren umfassen Lasergyroskope undFaser-optische Magnetfeldsensorenfür spezielle Messungen.

Quasi-Verteilte faseroptische Erfassung

Ein quasi-verteiltes System verbindet mehrere Punktsensoren in Reihe entlang einer Faser -, beispielsweise eine Reihe von FBGs, die jeweils eine leicht unterschiedliche Wellenlänge reflektieren, sodass der Abfrager sie unterscheiden kann. Eine Faser kann dann Temperatur, Vibration, Druck oder Spannung an vielen einzelnen Stellen gleichzeitig melden. Der Kompromiss-ist in der Physik verankert: Die Anzahl der Sensoren auf einer einzelnen Faser ist durch die Quellbandbreite und das Wellenlängenfenster begrenzt, das jedes Gitter einnehmen kann, und die Faser erkennt nichts in den Lücken zwischen den Elementen. Verwandte Fasergitter-Ansätze, wie zGittersensorsysteme mit langer-Periodefolgen ähnlichen Prinzipien mit unterschiedlichem Spektralverhalten.

Verteilte faseroptische Sensorik

Ein verteiltes System nutzt die nackte Faser als kontinuierlichen Sensor ohne diskrete Erfassungspunkte. Es basiert auf Licht, das auf natürliche Weise im Inneren des Glases gestreut wird, und misst, wie sich dieses gestreute Licht über die gesamte Länge verändert. DreiLicht-Streuungsmechanismenwerden verwendet, die jeweils für unterschiedliche Parameter geeignet sind:

• Rayleigh-Streuungist ein elastischer Prozess, der die Frequenz des Lichts nicht verschiebt. Es ist das stärkste der drei Systeme und die Grundlage der verteilten akustischen und Vibrationserkennung (DAS/DVS), bei der schnelle Einzelmessungen dynamische Belastungen wie Schall und Vibration verfolgen.
• Raman-Streuungerzeugt Licht, dessen Intensität temperaturabhängig ist, was es zur Grundlage der verteilten Temperaturmessung (Distributed Temperature Sensing, DTS) macht.
• Brillouin-StreuungDie Frequenz verschiebt sich sowohl mit der Dehnung als auch mit der Temperatur und unterstützt so die verteilte Dehnungs- und Temperaturerfassung über große Entfernungen.

Da das System die gesamte Glasfaser und nicht feste Punkte abtastet, kann ein einziges Kabel Tausende von effektiv kontinuierlichen Messpositionen über Dutzende von Kilometern liefern. Diese Abdeckung ist der Grund dafür, dass die verteilte Sensorik bei langen, linearen Anlagen, bei denen überall ein Problem auftreten könnte, schnell zugenommen hat.

Punkt vs. Quasi-Verteilte vs. verteilte Glasfasererfassung

Die drei Familien beantworten unterschiedliche Fragen. Die Punkterkennung fragt: „Was passiert an dieser einen Stelle?“; quasi-distributed fragt: „Was passiert an diesen bekannten Orten?“; „Distributed“ fragt: „Was passiert irgendwo auf dieser Route?“ Die folgende Tabelle fasst die praktischen Unterschiede zusammen.

Häufige Anwendungen der faseroptischen Sensorik

• Pipeline-Überwachung und Leckerkennung.Eine entlang einer Öl-, Gas- oder Wasserleitung verlegte Faser kann ein Leck als lokale Temperaturanomalie (DTS) kennzeichnen und Grabungen oder Eingriffe Dritter-als Vibrationssignatur (DAS) erkennen -, eine genauere Formulierung als die lose Formulierung „Öl und Gas“, die manchmal für diesen Anwendungsfall verwendet wird.
• Perimeter- und Grenzsicherung.Die verteilte Vibrationserkennung erkennt und klassifiziert Schritte, Fahrzeuge, Klettern oder Graben entlang einer Zaunlinie oder einer vergrabenen Route, was die Grundlage dafür bildetGlasfaser--Perimeter-Einbruchserkennung.
• Stromkabel- und Netzüberwachung.DTS verfolgt die Temperatur von Hochspannungskabeln, um die Last zu verwalten und Hotspots zu erkennen. Hintergrundinformationen finden Sie in dieser Übersicht überverteilte Temperaturüberwachung.
• Erkennung von Tunnel- und Gebäudebränden.Die kontinuierliche Temperaturprofilierung löst genau an der Stelle, an der die Wärme ansteigt, einen Alarm aus, lange bevor ein einzelner -Punktmelder reagieren würde.
• Überwachung des strukturellen Zustands.FBGs und verteilte Dehnungssensoren messen Belastung, Durchbiegung und Rissbildung in Brücken, Dämmen, Tunneln und großen Verbundkonstruktionen über deren Lebensdauer.

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Vorteile und Grenzen der faseroptischen Sensorik

Wie jede Messtechnologie eignet sich auch die faseroptische Sensorik in manchen Situationen gut, in anderen jedoch als schlecht. Die klare Darstellung beider Seiten erleichtert die Auswahl.

Wo es sich auszeichnet:

• Immun gegen elektromagnetische Störungen, da der Sensorpunkt aus passivem Glas besteht und keine Elektronik im Feld vorhanden ist.
• Sicher in explosiven oder korrosiven Umgebungen, in denen elektrische Sensoren ein Risiko darstellen.
• Ein Kabel kann Hunderte diskreter Sensoren und deren Verkabelung ersetzen und dient gleichzeitig als Datenpfad.
• Verteilte Systeme ermöglichen eine kontinuierliche Standorterfassung und nicht nur isolierte Messwerte.

Wo es Grenzen hat:

• Der Abfragesender ist der teure Teil, daher sind kurze Einzelpunktjobs mit herkömmlichen Sensoren oft günstiger.
• „Hohe Genauigkeit“ ist bedingt. Bei verteilten Systemen stehen räumliche Auflösung, Erfassungsbereich und Abtastrate im Widerspruch zueinander, und „verteilt“ bedeutet nicht unbegrenzte Präzision.
• Die Positionierungsgenauigkeit hängt von der Erfassungsmethode, der Art der Kabelführung und der Kopplung mit der Struktur, der Abtastrate, dem Abfragegerät und dem Analysealgorithmus ab.
• Design, Installation und Interpretation erfordern Fachwissen.

So wählen Sie die richtige Glasfaser-Erfassungsmethode aus

Beginnen Sie mit der Frage, die Sie tatsächlich beantworten müssen, und ordnen Sie sie dann einer Methode zu:

• Ein kritischer Punkt, genau gemessen- ein Punktsensor wie ein FBG.
• Eine Handvoll bekannter Standorte auf einem Bauwerk- ein quasi-verteiltes FBG-Array.
• Eine lange Strecke, auf der es überall zu Problemen kommen kann- ein verteiltes System: DTS für Temperatur und Feuer, DAS/DVS für Vibration und Einbruch, Brillouin für Dehnung.

Sobald die Methode klar ist, vergleichen Sie bestimmte Parameter vor dem Kauf: erforderlicher Erfassungsbereich, räumliche Auflösung, Messfrequenz (Abtastrate), die Kabelroute und die Art und Weise, wie sie an der Anlage befestigt wird, sowie die Kompatibilität des Abfragegeräts mit den Glasfasern und Sensoren, die Sie einsetzen möchten.