Компоненты и готовые решения АО «ЛЛС» в области волоконной сенсорики

Точное измерение физических параметров – задача, важная для функционирования процессов в энергетике, нефтегазовой отрасли, транспортной инфраструктуре, строительстве и научных исследованиях. Традиционные электрические датчики, несмотря на широкое распространение, имеют ряд существенных ограничений: подверженность электромагнитным помехам, риск искрообразования, потери сигнала на больших расстояниях и ограниченный температурный диапазон. Эти недостатки делают их непригодными или опасными для использования в агрессивных и взрывоопасных средах.

На смену приходят волоконно-оптические системы мониторинга – надежные и безопасные решения, в которых чувствительным элементом выступает само оптическое волокно или специальные внутриволоконные структуры, такие как волоконные брэгговские решетки (ВБР).

АО «ЛЛС» – партнер №1 в области разработки и поставки лазерно-оптического оборудования – предлагает полный спектр компонентов и готовых решений волоконной сенсорики, включая точечные и распределенные системы мониторинга, а также решения для проектирования фотонной доплеровской системы измерения скорости и волоконно-оптического гироскопа.

Точечные датчики и системы опроса

Точечные датчики на основе волоконных брэгговских решеток предназначены для измерения температуры, деформации, давления, угла наклона, вибрации и других физических параметров. Принцип работы таких датчиков основан на сдвиге длины волны отражения, который возникает при изменении внешней среды. По соотношению Брэгга:

λ_b = 2n_eff · Λ,

где n_eff – эффективный показатель преломления, а Λ – период решетки.

Этот сдвиг регистрируется с помощью специализированных интеррогаторов – анализаторов сигналов, построенных по двум основным схемам: с перестраиваемым лазером и с широкополосным источником излучения.

Схема с перестраиваемым лазером и схема с широкополосным источником (увеличение схем по нажатию)

Интеррогаторы китайского и российского производства

Устройства для опроса датчиков на основе волоконных брэгговских решеток Arcadia Optronix работают в C-диапазоне, обеспечивают высокую частоту опроса (до 2500 Гц) и поддержку до 32 каналов, что делает их идеальными для мониторинга быстропротекающих процессов.

ООО «Инверсия-Сенсор» занимается разработкой мониторинговых систем на основе волоконно-оптических датчиков и является одним из лидеров данного направления в России.

Интеррогатор А31Х российского производства

Разработан для опроса датчиков на основе ВБР и Фабри-Перо. Корпус адаптирован специально для удобства установки в 19-дюймовую серверную стойку.

Датчики находят применение в авиакосмической отрасли, мониторинге инженерных конструкций, тоннелей, ветряных электростанций и в научных экспериментах.

Распределенные датчики температуры (DTS)

Распределенные системы мониторинга температуры основаны на анализе комбинационного рассеяния импульсного лазерного излучения в оптическом волокне. При прохождении зондирующего импульса в волокне возникает обратное рассеяние, включающее две температурозависимые компоненты – стоксову и антистоксову. Интенсивность антистоксовой линии напрямую зависит от температуры, в то время как стоксовая компонента остается практически неизменной. Измеряя отношение интенсивностей во времени, система определяет температуру в каждой точке вдоль волокна.

Принципиальная схема распределенного датчика температуры (DTS)

Измеряет температуру (-65 ~ +300 °С) вдоль оптоволоконного кабеля длиной от 10 м до 16 км. Чувствительный элемент системы не требует дополнительного питания на всем своем протяжении.

Распределенный акустический датчик – это современная технология зондирования, которая может непрерывно обнаруживать внешнее физическое поле (вибрацию, звук) на большом расстоянии с когерентным рэлеевским обратным рассеянием малошумящего лазера в одномодовом волокне.

На данный момент система DAS применяется в охране периметра, железнодорожном транспорте, мониторинге безопасности трубопроводов, обнаружении природных опасностей и, например, геофизической разведке.

Принципиальная схема распределенного акустического датчика (DAS)

Распределенные датчики деформации и температуры (DTSS)

Для задач, требующих одновременного измерения деформации и температуры, АО «ЛЛС» предлагает системы на основе технологий BOTDR и BOTDA. Устройства, использующие спонтанное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна, называют бриллюэновскими рефлектометрами (BOTDR). Устройства на вынужденном рассеянии Мандельштама-Бриллюэна – бриллюэновскими анализаторами (BOTDA).

Распределенные датчики на рассеянии Мандельштама-Бриллюэна являются наиболее универсальными решениями среди прочих волоконно-оптических систем мониторинга на рынке и включают следующие применения:

Принципиальная схема распределенного датчика деформации и температуры (DSTS)

Распределенный датчик деформации и температуры Omnisens

Обеспечивает измерение температуры (от -150 до 1000°С с учетом специальных покрытий оптического волокна) и деформаций (> 5 % от длины волокна) на дистанции до 60 км (с петлей до 120 км) и пространственным разрешением 1-20 м.

Фотонная доплеровская велосиметрия (PDV)

«ЛЛС» также разрабатывает решения в области фотонной доплеровской велосиметрии (PDV) – высокоточной регистрации скорости движения объектов за счет измерения доплеровского сдвига света, отраженного от движущейся поверхности.

Принципиальная схема датчика измерения скорости (PDV)

Модуль фотонной доплеровской велосиметрии DopplerPXIe

QUANTIFI PHOTONICS (Coherent Solutions) – производитель контрольно-измерительного оборудования для высокоскоростной оптической связи.

Оптический модуль PDV работает в диапазоне 1520-1650 нм, обеспечивает гибкое управление мощностью зондового и опорного лучей и совместим с различными типами разъёмов (FC/PC, SC/APC и др.). Применяется в научных исследованиях, испытаниях материалов, акустике и диагностике плазмы.

Волоконно-оптические гироскопы (ВОГ)

В портфеле компании технологии для создания волоконно-оптических гироскопов, используемых в системах навигации, ориентации и стабилизации. ВОГ отличаются высокой надежностью, долговременной стабильностью и отсутствием движущихся частей. Применяется в авиации, морской технике и робототехнике.

Принципиальная схема одноосевого волоконно-оптического гироскопа (FOG) 

Преимущества решений

• Взрыво- и пожаробезопасность
• Широкий спектр применения для измерения физических величин
• Невосприимчивость к электромагнитным помехам
• Широкий температурный рабочий диапазон
• Долговременная стабильность
• Высокая масштабируемость

АО «ЛЛС» продолжает развивать технологии волоконной сенсорики, предлагая заказчикам инновационные, безопасные и эффективные решения для измерения и контроля в самых сложных условиях.

При наличии вопросов обращайтесь к персональному менеджеру или по почте info@lenlasers.ru.

Автор статьи: Комиссаров Михаил, ведущий инженер по применению