Magnetväljaandurid on geoloogilise uurimise, elektrivõrgu seire, kosmosetehnika ja tööstusautomaatika olulised vahendid. Erinevate saadaolevate andurtehnoloogiate hulgas paistavad optilise kiu -põhised magnetvälja andurid silma oma elektromagnetiliste häirete suhtes vastupidavuse, korrosioonikindluse ja karmides keskkondades kaugseireks sobivuse poolest.
Üks eriti paljutõotav lähenemisviis kasutab andurikandjana magnetvedelikku (MHD) - nanomõõtmeliste magnetosakeste kolloidset suspensiooni -. Kui integreeridaoptiline kiud, MHD võimaldab kiul reageerida välistele magnetväljadele, muutes selle murdumisnäitaja ja valguse läbilaskevõime. See kombinatsioon on äratanud kasvavat uurimishuvi, nagu on dokumenteeritud sellistes ajakirjades avaldatud ülevaadetes naguOptika ExpressjaAndurid ja täiturmehhanismid B.
Selles artiklis kirjeldatakse kahe{0}}kanaliga kitsendatud kiudude magnetvälja tuvastussüsteemi, mis põhineb ajajaotuse multipleksimise (TDM) tehnoloogial. See hõlmab selle süsteemi tööpõhimõtet, stabiilsust, tundlikkusandmeid ja praktilisi eeliseid võrreldes tavaliste ühe-punkti MHD-kiudanduritega.
Mis on TDM-i kahe{0}}kanaliga kitsenev magnetvälja sensorsüsteem?
TDM-i kahe-kanaliga kitsenev magnetvälja tuvastussüsteem on optilise anduri arhitektuur, mis kasutab magnetvälja intensiivsuse mõõtmiseks mitmes punktis samaaegselt kahte eraldi kiudkanalit -, millest igaüks sisaldab magnetvedelikuga kaetud kitsenevat kiuosa -. Süsteem tugineb faasi{4}}tundlikule optilisele ajadomeeni reflektomeetrile (φ-OTDR), et genereerida, vastu võtta ja töödelda igat kanalit läbivaid impulssvalgussignaale.
Peamine uuendus seisneb kitsenevate kiudude andurseadmete kombineerimises TDM-tehnoloogiaga. Selle asemel, et mõõta ainult ühte asukohta, võimaldab TDM süsteemil eristada signaale piki kiudu erinevatest tundlikkuspunktidest, eraldades need ajas. See võimaldab mitme-punktilise magnetvälja jälgimist ühe päringuseadme kaudu -, mis tavapärastel MHD kiudanduritel tavaliselt puudub.
Kitsenev kiud viitab sektsioonileühemoodi{0}}kiudmida on läbimõõdu vähendamiseks kuumutatud ja venitatud. See kitsenemine suurendab juhitava valguse ja ümbritseva MHD-materjali vahelist koostoimet, muutes anduri magnetvälja muutustele paremini reageerivaks.
Miks traditsioonilised MHD-kiudmagnetandurid alla jäävad?
Olemasolevad MHD{0}}-põhised kiudmagnetväljaandurid toetuvad üldiselt sellistele struktuuridele nagu kitsenev kiud, MHD-ga täidetud fotoonkristallkiud, ühe-režiimiga – südamikuta – ühemoodi-kiud ja pika-perioodiga kiudrestid. Kuigi igaüks neist on näidanud elujõulist magnetvälja tundlikkust laboritingimustes, on neil mitmeid praktilisi piiranguid.
Kaks kõige levinumat demodulatsioonimeetodit on võimsus{0}}põhine tuvastamine ja lainepikkuse{1}}nihke tuvastamine. Võimsus-põhinevad andurid mõõdavad muutusi edastatavas optilises võimsuses, kuid nende näitu mõjutavad otseselt valgusallika väljundi kõikumised. Isegi väikesed võimsuse kõikumised võivad põhjustada mõõtmisvigu, mida on raske tegelikust magnetvälja signaalist eraldada. Lainepikkuse{6}}nihkeandurid väldivad seda probleemi, jälgides spektraalseid muutusi, kuid need sõltuvad optiliste spektrianalüsaatorite - instrumentidest, mis on kallid, mahukad ja kohapeal kasutamiseks ebapraktilised.
Lisaks demoduleerimise väljakutsele on enamik olemasolevaid MHD-kiudandureid mõeldud ainult ühe{0}}punkti mõõtmiseks. Mitme asukoha jälgimine nõuab iga punkti jaoks kogu päringusüsteemi dubleerimist, mis suurendab kulusid ja keerukust. Selliste rakenduste jaoks naguelektriülekandeliinseire või laiaulatuslik{0}}tööstuslik kontroll, on ühe-punkti võimalus oluliseks kitsaskohaks.
Kuidas kahe{0}}kanaliga TDM-i andursüsteem töötab
Süsteemi arhitektuur algab φ-OTDR-seadmega, mis genereerib lühikesi optilisi impulsse ja töötleb tagasitulevaid signaale. Viivituskiud on ühendatud φ-OTDR-i väljundiga, et vähendada suure impulsi algenergia mõju signaali vastuvõtule.
Seejärel siseneb impulssvalgus tsirkulaatorisse - optilisse komponenti, mis suunab valgust kindlas suunas - ja suunatakse esimesse optilisse sidurisse (OC1). OC1 korral jaguneb valgus tahtlikult asümmeetrilise suhtega kaheks teeks: 1% läheb tuvastuskanalisse 1 (moodustavad OC1 ja OC2), samas kui 99% jätkab tuvastuskanalit 2 (moodustavad OC3 ja OC4).
Igas andurikanalis läbib impulssvalgus sensori (SU), kus see interakteerub MHD{0}}kaetud kitseneva kiuga. Pärast SU läbimist jõuab valgus ahela teise sidurini. Siin tsirkuleerib 99% valgusest kanalis ja 1% suunatakse tsirkulatsioonipumba kaudu tagasi φ-OTDR-i poole. See retsirkulatsioon võimaldab impulssil mitu korda andurit läbida, kogudes iga läbimisega mõõdetavat sumbumist.
φ-OTDR salvestab mõlema kanali tagastatud signaalid. Kuna kahel kanalil on erinevad optilise tee pikkused, saabuvad nende tagastussignaalid erinevatel aegadel - see on TDM-i põhimõtte tuum. Analüüsides tagastatud impulsside sumbumise kallet, arvutab süsteem magnetvälja intensiivsuse igas tundlikkuspunktis, ilma et oleks vaja spektromeetrit või lainepikkuse{4}}jälgimisseadet.
See lähenemisviis tuvastab optilise võimsuse nõrgenemise määra muutused, mitte absoluutse võimsuse tasemed. Selle tulemusena on mõõtmine oma olemuselt vähem tundlik valgusallika võimsuse kõikumiste suhtes -, mis on märkimisväärne edasiminek võrreldes tavapäraste võimsuse{2}}põhiste MHD-anduritega.
Stabiilsuse ja tundlikkuse testi tulemused
Stabiilsus nullmagnetvälja all
Algtaseme stabiilsuse hindamiseks testiti süsteemi 30 korda mitte--magnetvälja-keskkonnas. Laserallika keskmine optiline väljundvõimsus oli 1,21 mW, standardhälbega 0,0516 mW (ligikaudu 4,26% keskmisest). Hoolimata sellest allika-taseme erinevusest, jäid kahe kanali poolt mõõdetud sumbumise kalded väga ühtlaseks:
- Kanal 1:keskmine sumbumise kalle –11,57 dB/km, standardhälve 0,109 dB/km (0,942% keskmisest)
- Kanal 2:keskmine sumbumise kalle –18,117 dB/km, standardhälve 0,124 dB/km (0,684% keskmisest)
Asjaolu, et sumbumise kalle jäi stabiilseks isegi siis, kui valgusallika võimsus kõikus, kinnitab, et süsteemi mõõtmisviis -, mis põhineb sumbumise määral, mitte absoluutvõimsusel -, lahutab näidu tõhusalt allika-taseme mürast.
Stabiilsus konstantse magnetvälja all
Teises katsekomplektis puutusid mõlemad kanalid kokku 5 mT konstantse magnetväljaga. Korduvate mõõtmiste korral:
- Kanal 1:keskmine sumbumise kalle –14,85 dB/km, standardhälve 0,131 dB/km (0,882% keskmisest)
- Kanal 2:keskmine sumbumise kalle –30,94 dB/km, standardhälve 0,315 dB/km (1,02% keskmisest)
Mõlemad kanalid näitasid oma keskmisega võrreldes alla 1, 1% varieeruvust, mis näitab, et süsteem annab aktiivse magnetvälja tingimustes korratavaid tulemusi.
Magnetvälja tundlikkus
Tundlikkuse mõõtmised andsid järgmised tulemused:
- Kanal 1:−1,09 dB/(km·mT) välja intensiivsuse vahemikus 3–14 mT
- Kanal 2:−3,466 dB/(km·mT) välja intensiivsuse vahemikus 2–7 mT
Kanal 2 näitab ligikaudu kolm korda suuremat tundlikkust kui kanal 1. See erinevus tuleneb asümmeetrilisest siduri konstruktsioonist - Kanal 2 võtab vastu 99% sisendvalgusest, mille tulemuseks on tugevam interaktsioon anduriga ühe läbimise kohta. Kompromiss-on see, et kanal 2 töötab kitsamas mõõtmisvahemikus (2–7 mT vs{10}}–14 mT), mis peegeldab tüüpilist tundlikkuse- versus{13}}vahemiku tasakaalufiiberoptiline andursüsteemid.
Eelised tavapäraste magnetväljaandurite ees
Võrreldes traditsiooniliste ühe-punkti MHD kiudmagnetvälja anduritega, pakub see kahe kanaliga TDM{1}}süsteem mitmeid konkreetseid täiustusi:
- Mitme{0}}punkti mõõtmise võimalus:TDM võimaldab samaaegset jälgimist mitmes kohas, kasutades ühte φ-OTDR-seadet, välistades vajaduse igas mõõtmispunktis eraldi päringusüsteemide järele.
- Vähendatud tundlikkus valgusallika kõikumiste suhtes:Mõõtes sumbumise kalle, mitte absoluutset optilist võimsust, minimeerib süsteem valgusallika ebastabiilsusest põhjustatud vead - {-tuntud nõrkus võimsus-põhiste MHD-andurite puhul.
- Spektromeetrit pole vaja:Erinevalt lainepikkuse{0}}nihkeanduritest ei tugine see süsteem optilistele spektrianalüsaatoritele, mis vähendab nii seadmete maksumust kui ka füüsilist jalajälge.
- Lihtne valmistamine:Kitsenevaid kiudandureid toodetakse standardse kuumutus-{0}}ja
- Kaugseire ühilduvus:Süsteem toetab kaug{0}}signaali edastamist standardse kauduoptiline kaabelinfrastruktuuri, muutes selle sobivaks kaugjuhtimiseks.
Mitmepunktilise magnetvälja kaugjälgimise rakendusstsenaariumid
Mitme-punkti tuvastamise, elektromagnetiliste häirete häirekindluse ja kaugseirevõimaluse kombinatsioon muudab selle süsteemi asjakohaseks mitmete praktiliste rakenduste jaoks.
Jõuülekande infrastruktuur:Magnetvälja jaotuse jälgimine mööda kõrgepinge{0}}ülekandeliinisid aitab tuvastada voolulekke, seadmete riknemise või väliste häiretega seotud kõrvalekaldeid. Süsteemi võime üle töötadapikad kiudjooksudon selles kontekstis eriti väärtuslik.
Tööstusmasinate jälgimine:Suured mootorid, generaatorid ja trafod tekitavad magnetvälju, mis on korrelatsioonis tööseisundiga. Mitme-punkti kiudude tuvastamine võimaldab pidevat jälgimist ilma juhtivaid materjale mõõtmiskeskkonda viimata.
Teadusliku uurimistöö instrumentaarium:Laboratoorsetes keskkondades, kus on nõutav täpne, häireteta -magnetväljade kaardistamine -, näiteks osakeste füüsika katsed või materjaliuuringud, - kiud-põhine tuvastus väldib elektromagnetilist saastumist, mida traditsioonilised elektroonilised andurid võivad tekitada.
Veealune ja maa-alune seire:Keskkondades, kus otsejuurdepääs on piiratud, pakuvad fiiberoptiliste andurite korrosioonikindlus ja pika{0}}kauguse võime elektrooniliste alternatiivide ees praktilise eelise. See ühtib kiudude tuvastamise rakendustegamaakaabelseire ja merealuse infrastruktuuri kontrollimine.
Praegused piirangud ja tulevikujuhised
Kuigi süsteem näitab paljutõotavat jõudlust, tuleks praktilise juurutamise kaalutlustel arvestada mitmete piirangutega:
Mõõtevahemikku piiravad magnetilise vedeliku küllastusomadused. Kanal 1 töötab vahemikus 3–14 mT ja kanal 2 2–7 mT -, mis sobib mõõdukas-välikeskkonnas, kuid ei ole piisav kõrge-tööstuslike rakenduste jaoks, mis ületab kümneid milliteslasid.
Olemasolevates andmetes ei ole magnetvedeliku temperatuuritundlikkust täielikult iseloomustatud. Kuna MHD murdumisnäitaja on temperatuurist-sõltuv, nõuab tegelik{2}}kasutamine kas temperatuuri kompenseerimist või kontrollitud termilist keskkonda.
Süsteem demonstreerib praegu kahte{0}}kanalit. Suuremale arvule andurpunktidele skaleerimine nõuab signaali-/-müra suhte hoolikat haldamist, kuna optilise võimsuse eelarve on jagatud rohkemate kanalite vahel.
Tulevane optimeerimine võib keskenduda mõõtmisvahemiku laiendamisele täiustatud magnetilise vedeliku koostiste kaudu, kanalite arvu suurendamisele täiustatud TDM-i või lainepikkusjaotusega multipleksimise (WDM) hübriidskeemide abil ja temperatuuri kompenseerimise mehhanismide integreerimisele välistingimustes kasutamiseks.
Korduma kippuvad küsimused
Milline on TDM-i roll magnetvälja tuvastamisel?
Ajajaotusega multipleksimine (TDM) võimaldab ühel päringuüksusel eristada signaale mitmest anduripunktist, eraldades nende tagasisignaalid ajaliselt. Selles süsteemis võimaldab TDM samaaegset magnetvälja mõõtmist kahes või enamas kohas, ilma et oleks vaja iga punkti jaoks eraldi seadmeid.
Miks selles süsteemis kasutatakse φ-OTDR-i?
Faasi-tundlik optiline ajadomeeni reflektomeeter (φ-OTDR) genereerib täpselt ajastatud optilisi impulsse ja analüüsib tagastatud signaale kõrge ajalise eraldusvõimega. See muudab selle hästi-sobivaks TDM-põhise hajusanduri jaoks, kus iga tagastatud signaali päritolu tuvastamine sõltub lennu{5}}täpsest-aja mõõtmisest. OTDR-i põhimõtete kohta lisateabe saamiseks vaadakeOTDR-i testimise põhimõtte juhend.
Millised on kahe andurikanali tundlikkuse vahemikud?
Kanal 1 saavutab tundlikkuse –1,09 dB/(km·mT) väljavahemikus 3–14 mT. Kanal 2 saavutab –3,466 dB/(km·mT) üle 2–7 mT. Kanali 2 suurem tundlikkus tuleneb suurema osa optilise sisendvõimsuse vastuvõtmisest (99% vs
Kuidas see süsteem vähendab valgusallika kõikumise mõju?
Selle asemel, et mõõta absoluutset optilist võimsust (mis muutub, kui allikas kõikub), mõõdab süsteem optilise sumbumise kiirust piki andurikanalit. See sumbumise kalle jääb stabiilseks isegi siis, kui allika võimsus varieerub, kuna kalle peegeldab suhtelist muutust pikkuseühiku kohta, mitte koguvõimsuse taset. Stabiilsustestid kinnitasid, et sumbumise kalde kõikumine on alla 1,1%, hoolimata allika võimsuse 4,26% erinevusest.
Kas seda süsteemi saab kasutada veealuse magnetvälja jälgimiseks?
Põhimõtteliselt jah. Kiudoptilised andurid on oma olemuselt immuunsed elektromagnetiliste häirete suhtes ja korrosioonikindlad, mistõttu sobivad need veealusesse keskkonda. Magnetvedeliku kate ja kiudühendused vajaksid aga asjakohast keskkonnakaitsetveealune kasutuselevõtt.
Mis on magnetvedelik (MHD) ja miks seda optilise kiuga kasutatakse?
Magnetvedelik (nimetatakse ka ferrofluidiks või MHD-ks) on nanomõõtmeliste magnetosakeste kolloidne suspensioon kandevedelikus. Välise magnetvälja rakendamisel muutub vedeliku murdumisnäitaja. Optilise kiu katmisel või ümbritsemisel MHD-ga muutuvad kiu valguse läbilaskvusomadused ümbritseva magnetvälja suhtes tundlikuks, võimaldades optilist magnetvälja tuvastada ilma elektrooniliste komponentideta mõõtmispunktis.