Magnetinio lauko jutikliai yra esminiai geologinių tyrimų, elektros tinklo stebėjimo, aviacijos ir kosmoso inžinerijos bei pramonės automatizavimo instrumentai. Tarp įvairių galimų jutimo technologijų optinio pluošto{1}}pagrįsti magnetinio lauko jutikliai išsiskiria atsparumu elektromagnetiniams trukdžiams, atsparumu korozijai ir tinkamumu nuotoliniam stebėjimui atšiaurioje aplinkoje.
Vienas ypač daug žadantis metodas naudoja magnetinį skystį (MHD) - koloidinę nanoskalės magnetinių dalelių - suspensiją kaip jutimo terpę. Kai integruota suoptinio pluošto, MHD leidžia pluoštui reaguoti į išorinius magnetinius laukus keičiant jo lūžio rodiklį ir šviesos perdavimo charakteristikas. Šis derinys pritraukė vis didesnį susidomėjimą moksliniais tyrimais, kaip užfiksuota apžvalgose, paskelbtose tokiuose žurnaluose kaipOptika ExpressirJutikliai ir pavaros B.
Šiame straipsnyje paaiškinama dviejų kanalų{0}}smailėjančio pluošto magnetinio lauko jutimo sistema, pagrįsta laiko padalijimo tankinimo (TDM) technologija. Tai apima šios sistemos veikimo principą, stabilumo našumą, jautrumo duomenis ir praktinius pranašumus, palyginti su įprastais vieno-taško MHD skaidulų jutikliais.
Kas yra TDM dviejų{0}}kanalų kūginio pluošto magnetinio lauko jutimo sistema?
TDM dviejų kanalų{0}}smailėjančio pluošto magnetinio lauko jutimo sistema yra optinio jutimo architektūra, naudojanti du atskirus skaidulų kanalus -, kurių kiekviename yra kūginė pluošto sekcija, padengta magnetiniu skysčiu - magnetinio lauko intensyvumui išmatuoti keliuose taškuose vienu metu. Sistema remiasi fazei -jautriu optiniu laiko srities reflektometru (φ-OTDR), kad generuotų, priimtų ir apdorotų impulsinius šviesos signalus, sklindančius per kiekvieną kanalą.
Pagrindinė naujovė yra sujungti kūginius pluošto jutiklius su TDM technologija. Vietoj to, kad būtų matuojama tik viena vieta, TDM leidžia sistemai atskirti signalus iš skirtingų jutimo taškų palei pluoštą, juos atskiriant laiku. Tai įgalina kelių{2}}taškų magnetinio lauko stebėjimą naudojant vieną tardymo įrenginį -, kurio paprastai trūksta įprastiems MHD skaidulų jutikliams.
Smailėjantis pluoštas reiškia skyriųvieno{0}}modo šviesolaidiskuris buvo šildomas ir ištemptas, kad sumažintų jo skersmenį. Šis siaurėjimas padidina nukreiptos šviesos ir aplinkinės MHD medžiagos sąveiką, todėl jutiklis geriau reaguoja į magnetinio lauko pokyčius.
Kodėl trūksta tradicinių MHD pluošto magnetinių jutiklių
Esami MHD{0}}pagrįsti pluošto magnetinio lauko jutikliai paprastai remiasi tokiomis struktūromis kaip kūginis pluoštas, fotoninis kristalų pluoštas, užpildytas MHD, vieno -mode – bešerdis – vieno-modo skaidulos ir ilgo-periodo skaidulinės gardelės. Nors kiekvienas iš jų parodė gyvybingą magnetinio lauko jautrumą laboratorijoje, jie turi keletą praktinių apribojimų.
Du dažniausiai naudojami demoduliavimo metodai yra galia{0}}pagrįstas aptikimas ir bangos ilgio -poslinkio aptikimas. Galia{3}}pagrįsti jutikliai matuoja perduodamos optinės galios pokyčius, tačiau jų rodmenis tiesiogiai veikia šviesos šaltinio išvesties svyravimai. Net ir nedideli galios svyravimai gali sukelti matavimo paklaidas, kurias sunku atskirti nuo tikrojo magnetinio lauko signalo. Bangos ilgio{6}}poslinkio jutikliai išvengia šios problemos, nes seka spektrinius pokyčius, tačiau jie priklauso nuo optinių spektro analizatorių - prietaisų, kurie yra brangūs, dideli ir nepraktiški naudoti lauke.
Be demoduliacijos iššūkio, dauguma esamų MHD skaidulų jutiklių yra skirti tik vieno{0}}taško matavimui. Norint stebėti kelias vietas, reikia dubliuoti visą tardymo sistemą kiekvienam taškui, o tai padidina išlaidas ir sudėtingumą. Tokioms programoms kaipelektros perdavimo linijastebėjimas arba didelio masto{0}}pramoninis patikrinimas, vieno-taško galimybė yra didelė kliūtis.
Kaip veikia{0}}dviejų kanalų TDM jutimo sistema
Sistemos architektūra prasideda φ-OTDR bloku, kuris generuoja trumpus optinius impulsus ir apdoroja grįžtančius signalus. Prie φ-OTDR išvesties prijungtas delsos pluoštas, siekiant sumažinti didelės pradinės impulso energijos poveikį signalo priėmimui.
Tada impulsinė šviesa patenka į cirkuliacinį siurblį - optinį komponentą, kuris nukreipia šviesą tam tikra kryptimi - ir nukreipiamas į pirmąjį optinį jungtį (OC1). Esant OC1, šviesa suskaidoma į du kelius su tyčia asimetrišku santykiu: 1% patenka į jutimo kanalą 1 (sudaro OC1 ir OC2), o 99% toliau patenka į jutimo kanalą 2 (sudaro OC3 ir OC4).
Kiekviename jutimo kanale impulsinė šviesa praeina per jutimo bloką (SU), kur sąveikauja su MHD{0}}dengtu kūginiu pluoštu. Praėjusi pro SU, šviesa pasiekia antrąją kilpos jungtį. Čia 99 % šviesos recirkuliuoja kanale, o 1 % per cirkuliacinį siurblį nukreipiama atgal į φ-OTDR. Ši recirkuliacija leidžia impulsui kelis kartus praeiti pro jutimo bloką, sukaupiant išmatuojamą susilpnėjimą su kiekvienu praėjimu.
φ-OTDR įrašo grąžintus signalus iš abiejų kanalų. Kadangi abiejų kanalų optinio kelio ilgis skiriasi, jų grįžtami signalai ateina skirtingu laiku - tai yra TDM principo esmė. Analizuodama grąžinamų impulsų slopinimo nuolydį, sistema apskaičiuoja magnetinio lauko intensyvumą kiekviename jutimo taške, nenaudojant spektrometro ar bangos ilgio{4}}sekimo prietaiso.
Šis metodas aptinka optinės galios silpnėjimo greičio pokyčius, o ne absoliučiuosius galios lygius. Dėl to matavimas iš prigimties yra mažiau jautrus šviesos šaltinio galios svyravimams - – tai reikšmingas patobulinimas, palyginti su įprastiniais galia{2}}pagrįstais MHD jutikliais.
Stabilumo ir jautrumo testo rezultatai
Stabilumas nuliniame magnetiniame lauke
Norint įvertinti pradinį stabilumą, sistema buvo išbandyta 30 kartų ne-magnetinio-lauko aplinkoje. Vidutinė lazerio šaltinio išėjimo optinė galia buvo 1,21 mW, o standartinis nuokrypis – 0,0516 mW (maždaug 4,26 % vidurkio). Nepaisant šio šaltinio{8}}lygio skirtumo, dviejų kanalų išmatuoti slopinimo nuolydžiai išliko labai vienodi:
- 1 kanalas:vidutinis slopinimo nuolydis –11,57 dB/km, standartinis nuokrypis 0,109 dB/km (0,942 % vidurkio)
- 2 kanalas:vidutinis slopinimo nuolydis –18,117 dB/km, standartinis nuokrypis 0,124 dB/km (0,684 % vidurkio)
Tai, kad slopinimo nuolydis išliko stabilus, net kai šviesos šaltinio galia svyravo, patvirtina, kad sistemos matavimo metodas -, pagrįstas slopinimo laipsniu, o ne absoliučia galia -, efektyviai atskiria rodmenis nuo šaltinio-lygio triukšmo.
Stabilumas esant pastoviam magnetiniam laukui
Antrame bandymų rinkinyje abu kanalai buvo veikiami pastoviu 5 mT magnetiniu lauku. Per pakartotinius matavimus:
- 1 kanalas:vidutinis slopinimo nuolydis –14,85 dB/km, standartinis nuokrypis 0,131 dB/km (0,882 % vidurkio)
- 2 kanalas:vidutinis slopinimo nuolydis –30,94 dB/km, standartinis nuokrypis 0,315 dB/km (1,02 % vidurkio)
Abu kanalai parodė mažesnius nei 1, 1% skirtumus, palyginti su jų vidurkiu, o tai rodo, kad sistema duoda pakartojamus rezultatus aktyvaus magnetinio lauko sąlygomis.
Magnetinio lauko jautrumas
Jautrumo matavimai davė šiuos rezultatus:
- 1 kanalas:–1,09 dB/(km·mT) 3–14 mT lauko intensyvumo diapazone
- 2 kanalas:–3,466 dB/(km·mT) 2–7 mT lauko intensyvumo diapazone
2 kanalas rodo maždaug tris kartus didesnį jautrumą nei 1 kanalas. Šis skirtumas atsiranda dėl asimetrinės jungties konstrukcijos - 2 kanalas gauna 99 % įvesties šviesos, todėl per praėjimą sąveikauja su jutikliu stipriau. Kompromisas- yra tas, kad 2 kanalas veikia siauresniame matavimo diapazone (2–7 mT, palyginti su. 3–14 mT), o tai atspindi tipišką jautrumo-pagal{13}}diapazonąšviesolaidinis jutimassistemos.
Privalumai, palyginti su įprastiniais magnetinio lauko jutikliais
Palyginti su tradiciniais vieno{0}}taško MHD pluošto magnetinio lauko jutikliais, ši dviejų kanalų TDM{1}}sistema siūlo keletą konkrečių patobulinimų:
- Kelių{0}}taškų matavimo galimybė:TDM leidžia vienu metu stebėti keliose vietose naudojant vieną φ-OTDR įrenginį, todėl kiekviename matavimo taške nereikia atskirų užklausų sistemų.
- Sumažėjęs jautrumas šviesos šaltinio svyravimams:Matuodama slopinimo nuolydį, o ne absoliučią optinę galią, sistema sumažina klaidas, atsirandančias dėl šviesos šaltinio nestabilumo - -gerai žinomas galios-MHD jutiklių trūkumas.
- Nereikia spektrometro:Skirtingai nuo bangos ilgio{0}}poslinkių jutiklių, ši sistema nepasikliauja optiniais spektro analizatoriais, todėl sumažėja įrangos kaina ir fizinis pėdsakas.
- Paprasta gamyba:Kūginio pluošto jutikliai gaminami taikant standartinį šilumos{0}}ir-traukimo procesą, todėl juos palyginti paprasta gaminti, palyginti su fotoninio kristalo pluošto ar specialiomis grotelių struktūromis.
- Nuotolinio stebėjimo suderinamumas:Sistema palaiko standartinį signalo perdavimą dideliais{0}atstumaisoptinis kabelisinfrastruktūrą, todėl ji tinkama dislokuoti nuotoliniu būdu.
Nuotolinio kelių{0}}taškų magnetinio lauko stebėjimo taikymo scenarijai
Dėl kelių{0}}taškų jutimo, atsparumo elektromagnetiniams trukdžiams ir nuotolinio stebėjimo galimybės ši sistema yra tinkama daugeliui praktinių pritaikymų:
Energijos perdavimo infrastruktūra:Stebėdami magnetinio lauko pasiskirstymą aukštos{0}}įtampos perdavimo linijose, galite aptikti anomalijas, susijusias su srovės nuotėkiu, įrangos gedimu ar išoriniais trukdžiais. Sistemos gebėjimas veikti perilgi pluošto bėgiaiyra ypač vertingas šiame kontekste.
Pramoninių mašinų stebėjimas:Dideli varikliai, generatoriai ir transformatoriai sukuria magnetinius laukus, kurie koreliuoja su veikimo būkle. Daugiataškis pluošto jutiklis leidžia nuolat stebėti, nepaleidžiant į matavimo aplinką laidžių medžiagų.
Mokslinių tyrimų instrumentai:Laboratorinėse aplinkose, kur reikalingas tikslus, be trikdžių{0}}magnetinio lauko žemėlapių sudarymas -, pvz., dalelių fizikos eksperimentai ar medžiagų tyrimai - pluoštu-pagrįstu jutimu išvengiama elektromagnetinio užterštumo, kurį gali sukelti tradiciniai elektroniniai jutikliai.
Povandeninis ir požeminis stebėjimas:Aplinkose, kuriose tiesioginė prieiga yra ribota, šviesolaidinių jutiklių atsparumas korozijai ir toli{0}}atstumas suteikia praktinį pranašumą prieš elektronines alternatyvas. Tai suderinama su pluošto jutimo programomispožeminis kabelisstebėsena ir povandeninės infrastruktūros tikrinimas.
Dabartiniai apribojimai ir ateities kryptys
Nors sistemos našumas yra daug žadantis, reikėtų atkreipti dėmesį į keletą apribojimų, susijusių su praktiniu diegimu:
Matavimo diapazoną riboja magnetinio skysčio prisotinimo charakteristikos. 1 kanalas veikia 3–14 mT, o 2 kanalas 2–7 mT - tinka vidutinio-lauko aplinkai, bet nepakanka didelio-lauko pramoniniam pritaikymui, viršijančiam dešimtis militeslų.
Turimais duomenimis, magnetinio skysčio jautrumas temperatūrai nėra visiškai apibūdintas. Kadangi MHD lūžio rodiklis priklauso nuo temperatūros -priklauso nuo{1}}temperatūros, realiam{2}}diegimui reikės arba temperatūros kompensavimo, arba kontroliuojamos šiluminės aplinkos.
Šiuo metu sistema demonstruoja dviejų{0}}kanalų veikimą. Norint pasiekti didesnį jutimo taškų skaičių, reikės atidžiai valdyti signalo -ir -triukšmo santykį, nes optinės galios biudžetas yra padalintas į daugiau kanalų.
Būsimas optimizavimas gali būti sutelktas į matavimo diapazono išplėtimą naudojant patobulintas magnetinių skysčių formules, didinant kanalų skaičių naudojant pažangias TDM arba bangos ilgio padalijimo tankinimo (WDM) hibridines schemas ir integruojant temperatūros kompensavimo mechanizmus, skirtus naudoti lauke.
Dažnai užduodami klausimai
Koks yra TDM vaidmuo magnetinio lauko jutime?
Laiko padalijimo tankinimas (TDM) leidžia vienam užklausos įrenginiui atskirti signalus iš kelių jutimo taškų, atskiriant jų grįžtamuosius signalus laiku. Šioje sistemoje TDM leidžia vienu metu matuoti magnetinį lauką dviejose ar daugiau vietų, nereikalaujant atskiros įrangos kiekvienam taškui.
Kodėl šioje sistemoje naudojamas φ-OTDR?
Fazėms-jautrius optinio laiko srities reflektometras (φ-OTDR) generuoja tiksliai nustatytus optinius impulsus ir analizuoja grąžintus signalus su didele laiko skyra. Dėl to jis puikiai-tinka TDM-pagrįstam paskirstytam jutimui, kai kiekvieno grąžinamo signalo kilmės nustatymas priklauso nuo tikslaus skrydžio--matavimo laiko. Norėdami sužinoti daugiau apie OTDR principus, žrOTDR testavimo principo vadovas.
Kokie yra dviejų jutimo kanalų jautrumo diapazonai?
1 kanalas pasiekia –1,09 dB/(km·mT) jautrumą 3–14 mT lauko diapazone. 2 kanalas pasiekia –3,466 dB/(km·mT) per 2–7 mT. Didesnis 2 kanalo jautrumas atsiranda dėl to, kad gaunama didesnė įvesties optinės galios dalis (99 %, palyginti su . 1%), o tai padidina signalo -ir -triukšmo santykį, bet susiaurina naudojamą matavimo diapazoną.
Kaip ši sistema sumažina šviesos šaltinio svyravimo poveikį?
Užuot matavusi absoliučią optinę galią (kuri pasikeičia, kai šaltinis svyruoja), sistema matuoja optinio slopinimo greitį jutimo kanale. Šis slopinimo nuolydis išlieka stabilus, net kai kinta šaltinio galia, nes nuolydis atspindi santykinį ilgio vieneto pokytį, o ne bendrą galios lygį. Stabilumo testai patvirtino, kad slopinimo nuolydis skiriasi iki 1,1 %, nepaisant 4,26 % šaltinio galios svyravimų.
Ar šią sistemą galima naudoti povandeniniam magnetiniam laukui stebėti?
Iš principo taip. Optinio pluošto jutikliai iš prigimties yra atsparūs elektromagnetiniams trukdžiams ir atsparūs korozijai, todėl tinkami naudoti povandeninėje aplinkoje. Tačiau magnetinei skysčio dangai ir pluošto jungtims reikės tinkamos aplinkos apsaugospovandeninis dislokavimas.
Kas yra magnetinis skystis (MHD) ir kodėl jis naudojamas su optiniu pluoštu?
Magnetinis skystis (dar vadinamas ferofluidu arba MHD) yra koloidinė nanoskalės magnetinių dalelių suspensija nešiklio skystyje. Kai veikia išorinis magnetinis laukas, keičiasi skysčio lūžio rodiklis. Padengus arba apjuosiant optinį pluoštą MHD, pluošto šviesos perdavimo savybės tampa jautrios aplinkiniam magnetiniam laukui, todėl galima aptikti optinį magnetinį lauką be jokių elektroninių komponentų matavimo taške.