ज्ञान

चुंबकीय क्षेत्र सेंसर भूवैज्ञानिक अन्वेषण, पावर ग्रिड निगरानी, ​​​​एयरोस्पेस इंजीनियरिंग और औद्योगिक स्वचालन में आवश्यक उपकरण हैं। उपलब्ध विभिन्न सेंसिंग तकनीकों में से, ऑप्टिकल फाइबर आधारित चुंबकीय क्षेत्र सेंसर विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप, संक्षारण प्रतिरोध और कठोर वातावरण में दूरस्थ निगरानी के लिए उपयुक्तता के प्रति अपनी प्रतिरोधक क्षमता के लिए विशिष्ट हैं।

एक विशेष रूप से आशाजनक दृष्टिकोण संवेदन माध्यम के रूप में चुंबकीय द्रव (एमएचडी) - नैनोस्केल चुंबकीय कणों के कोलाइडल निलंबन - का उपयोग करता है। जब के साथ एकीकृत किया गयाप्रकाशित तंतु, एमएचडी फाइबर को उसके अपवर्तक सूचकांक और प्रकाश संचरण विशेषताओं में परिवर्तन के माध्यम से बाहरी चुंबकीय क्षेत्रों पर प्रतिक्रिया करने में सक्षम बनाता है। इस संयोजन ने बढ़ती शोध रुचि को आकर्षित किया है, जैसा कि पत्रिकाओं द्वारा प्रकाशित समीक्षाओं में दर्ज किया गया हैऑप्टिक्स एक्सप्रेसऔरसेंसर और एक्चुएटर्स बी.

यह आलेख टाइम डिवीजन मल्टीप्लेक्सिंग (टीडीएम) तकनीक पर आधारित एक दोहरे चैनल पतला फाइबर चुंबकीय क्षेत्र सेंसिंग सिस्टम की व्याख्या करता है। इसमें पारंपरिक एकल -बिंदु एमएचडी फाइबर सेंसर की तुलना में इस प्रणाली के कार्य सिद्धांत, स्थिरता प्रदर्शन, संवेदनशीलता डेटा और व्यावहारिक लाभ शामिल हैं।
 

टीडीएम डुअल -चैनल टेपर्ड फाइबर मैग्नेटिक फील्ड सेंसिंग सिस्टम क्या है?

एक टीडीएम डुअल -चैनल पतला फाइबर चुंबकीय क्षेत्र सेंसिंग सिस्टम एक ऑप्टिकल सेंसिंग आर्किटेक्चर है जो एक साथ कई बिंदुओं पर चुंबकीय क्षेत्र की तीव्रता को मापने के लिए दो अलग-अलग फाइबर चैनल - का उपयोग करता है, जिनमें से प्रत्येक में चुंबकीय तरल पदार्थ - के साथ लेपित एक पतला फाइबर अनुभाग होता है। सिस्टम प्रत्येक चैनल के माध्यम से यात्रा करने वाले स्पंदित प्रकाश संकेतों को उत्पन्न करने, प्राप्त करने और संसाधित करने के लिए एक चरण-संवेदनशील ऑप्टिकल टाइम डोमेन रिफ्लेक्टोमीटर (φ{5}}ओटीडीआर) पर निर्भर करता है।

मुख्य नवाचार टीडीएम प्रौद्योगिकी के साथ पतला फाइबर सेंसिंग इकाइयों के संयोजन में निहित है। केवल एक ही स्थान को मापने के बजाय, टीडीएम सिस्टम को फाइबर के साथ विभिन्न संवेदन बिंदुओं से संकेतों को समय पर अलग करके अलग करने की अनुमति देता है। यह एक एकल पूछताछ उपकरण - के माध्यम से बहु{{2}बिंदु चुंबकीय क्षेत्र की निगरानी को सक्षम बनाता है, एक ऐसी क्षमता जो पारंपरिक एमएचडी फाइबर सेंसर में आम तौर पर कमी होती है।

पतला फाइबर के एक भाग को संदर्भित करता हैएकल-मोड फ़ाइबरइसका व्यास कम करने के लिए इसे गर्म करके खींचा गया है। यह टेपरिंग निर्देशित प्रकाश और आसपास की एमएचडी सामग्री के बीच परस्पर क्रिया को बढ़ाती है, जिससे सेंसर चुंबकीय क्षेत्र में बदलाव के प्रति अधिक प्रतिक्रियाशील हो जाता है।

पारंपरिक एमएचडी फाइबर चुंबकीय सेंसर क्यों कम पड़ जाते हैं?

मौजूदा एमएचडी आधारित फाइबर चुंबकीय क्षेत्र सेंसर आम तौर पर पतला फाइबर, एमएचडी से भरे फोटोनिक क्रिस्टल फाइबर, सिंगल मोड-कोरलेस-सिंगल मोड फाइबर और लंबी अवधि फाइबर झंझरी जैसी संरचनाओं पर निर्भर करते हैं। हालाँकि इनमें से प्रत्येक ने प्रयोगशाला सेटिंग्स में व्यवहार्य चुंबकीय क्षेत्र संवेदनशीलता दिखाई है, वे कई व्यावहारिक सीमाएँ साझा करते हैं।

दो सबसे आम डिमोड्यूलेशन विधियां पावर आधारित पहचान और तरंगदैर्घ्य शिफ्ट पहचान हैं। पावर आधारित सेंसर संचरित ऑप्टिकल पावर में परिवर्तन को मापते हैं, लेकिन उनकी रीडिंग सीधे प्रकाश स्रोत आउटपुट में उतार-चढ़ाव से प्रभावित होती है। यहां तक ​​कि छोटी शक्ति भिन्नताएं भी माप त्रुटियां पेश कर सकती हैं जिन्हें वास्तविक चुंबकीय क्षेत्र सिग्नल से अलग करना मुश्किल होता है। तरंग दैर्ध्य शिफ्ट सेंसर वर्णक्रमीय परिवर्तनों को ट्रैक करके इस समस्या से बचते हैं, लेकिन वे ऑप्टिकल स्पेक्ट्रम विश्लेषक उपकरणों पर निर्भर होते हैं जो महंगे, भारी और क्षेत्र परिनियोजन के लिए अव्यावहारिक होते हैं।

डिमॉड्यूलेशन चुनौती से परे, अधिकांश मौजूदा एमएचडी फाइबर सेंसर केवल एकल -बिंदु माप के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। कई स्थानों की निगरानी के लिए प्रत्येक बिंदु के लिए संपूर्ण पूछताछ प्रणाली की नकल करने की आवश्यकता होती है, जिससे लागत और जटिलता बढ़ जाती है। जैसे अनुप्रयोगों के लिएविद्युत पारेषण लाइननिगरानी या बड़े पैमाने पर औद्योगिक निरीक्षण, एकल{{1}बिंदु क्षमता एक महत्वपूर्ण बाधा है।

डुअल-चैनल टीडीएम सेंसिंग सिस्टम कैसे काम करता है

सिस्टम आर्किटेक्चर एक φ-ओटीडीआर इकाई से शुरू होता है, जो लघु ऑप्टिकल पल्स उत्पन्न करता है और रिटर्निंग सिग्नल को संसाधित करता है। सिग्नल रिसेप्शन पर उच्च प्रारंभिक पल्स ऊर्जा के प्रभाव को कम करने के लिए φ - OTDR के आउटपुट पर एक विलंब फाइबर जुड़ा हुआ है।

स्पंदित प्रकाश फिर एक सर्कुलेटर - एक ऑप्टिकल घटक में प्रवेश करता है जो प्रकाश को एक विशिष्ट दिशा - में निर्देशित करता है और पहले ऑप्टिकल कपलर (OC1) में निर्देशित किया जाता है। OC1 पर, प्रकाश जानबूझकर असममित अनुपात के साथ दो पथों में विभाजित होता है: 1% सेंसिंग चैनल 1 (OC1 और OC2 द्वारा गठित) में जाता है, जबकि 99% सेंसिंग चैनल 2 (OC3 और OC4 द्वारा गठित) में जारी रहता है।

प्रत्येक सेंसिंग चैनल में, स्पंदित प्रकाश एक सेंसिंग यूनिट (एसयू) से होकर गुजरता है जहां यह एमएचडी लेपित पतला फाइबर के साथ इंटरैक्ट करता है। एसयू से गुजरने के बाद, प्रकाश लूप में दूसरे कपलर तक पहुंचता है। यहां, 99% प्रकाश चैनल के भीतर पुन: प्रसारित होता है, और 1% वापस परिसंचारी के माध्यम से φ{5}}ओटीडीआर की ओर निर्देशित होता है। यह पुनरावर्तन पल्स को संवेदन इकाई से कई बार गुजरने की अनुमति देता है, प्रत्येक पास के साथ मापने योग्य क्षीणन जमा करता है।

φ-ओटीडीआर दोनों चैनलों से लौटे संकेतों को रिकॉर्ड करता है। क्योंकि दोनों चैनलों की ऑप्टिकल पथ लंबाई अलग-अलग है, उनके रिटर्न सिग्नल अलग-अलग समय पर आते हैं - यह टीडीएम सिद्धांत का मूल है। लौटी हुई दालों के क्षीणन ढलान का विश्लेषण करके, सिस्टम स्पेक्ट्रोमीटर या तरंग दैर्ध्य ट्रैकिंग उपकरण की आवश्यकता के बिना प्रत्येक संवेदन बिंदु पर चुंबकीय क्षेत्र की तीव्रता की गणना करता है।

यह दृष्टिकोण पूर्ण शक्ति स्तरों के बजाय ऑप्टिकल पावर क्षीणन दर में परिवर्तन का पता लगाता है। नतीजतन, माप स्वाभाविक रूप से प्रकाश स्रोत बिजली के उतार-चढ़ाव के प्रति कम संवेदनशील है - पारंपरिक बिजली आधारित एमएचडी सेंसर पर एक सार्थक सुधार है।
 

स्थिरता और संवेदनशीलता परीक्षण परिणाम

शून्य चुंबकीय क्षेत्र के तहत स्थिरता

बेसलाइन स्थिरता का मूल्यांकन करने के लिए, सिस्टम का गैर-{1}}चुंबकीय-फ़ील्ड वातावरण में 30 बार परीक्षण किया गया था। लेज़र स्रोत की औसत आउटपुट ऑप्टिकल शक्ति 1.21 mW थी, मानक विचलन 0.0516 mW (माध्य का लगभग 4.26%) के साथ। इस स्रोत स्तर में भिन्नता के बावजूद, दोनों चैनलों द्वारा मापा गया क्षीणन ढलान अत्यधिक सुसंगत रहा:

• चैनल 1:औसत क्षीणन ढलान -11.57 डीबी/किमी, मानक विचलन 0.109 डीबी/किमी (माध्य का 0.942%)
• चैनल 2:औसत क्षीणन ढलान -18.117 डीबी/किमी, मानक विचलन 0.124 डीबी/किमी (माध्य का 0.684%)

तथ्य यह है कि प्रकाश स्रोत की शक्ति में उतार-चढ़ाव होने पर भी क्षीणन ढलान स्थिर रहा, यह पुष्टि करता है कि सिस्टम का माप दृष्टिकोण - निरपेक्ष शक्ति के बजाय क्षीणन दर पर आधारित है - प्रभावी रूप से स्रोत के स्तर के शोर से रीडिंग को कम कर देता है।

लगातार चुंबकीय क्षेत्र के तहत स्थिरता

परीक्षणों के दूसरे सेट में, दोनों चैनलों को 5 एमटी के निरंतर चुंबकीय क्षेत्र के संपर्क में लाया गया। बार-बार मापना:

• चैनल 1:औसत क्षीणन ढलान -14.85 डीबी/किमी, मानक विचलन 0.131 डीबी/किमी (माध्य का 0.882%)
• चैनल 2:औसत क्षीणन ढलान -30.94 डीबी/किमी, मानक विचलन 0.315 डीबी/किमी (माध्य का 1.02%)

दोनों चैनलों ने अपने साधनों के सापेक्ष उप-1.1% भिन्नता प्रदर्शित की, जो दर्शाता है कि सिस्टम सक्रिय चुंबकीय क्षेत्र की स्थितियों के तहत दोहराए जाने योग्य परिणाम उत्पन्न करता है।

चुंबकीय क्षेत्र संवेदनशीलता

संवेदनशीलता माप से निम्नलिखित परिणाम प्राप्त हुए:

• चैनल 1:3-14 एमटी की क्षेत्र तीव्रता सीमा पर −1.09 डीबी/(किमी · एमटी)
• चैनल 2:2-7 एमटी की क्षेत्र तीव्रता सीमा पर −3.466 डीबी/(किमी · एमटी)

चैनल 2, चैनल 1 की संवेदनशीलता से लगभग तीन गुना अधिक दिखाता है। यह अंतर असममित युग्मक डिज़ाइन से उत्पन्न होता है - चैनल 2 99% इनपुट प्रकाश प्राप्त करता है, जिसके परिणामस्वरूप प्रति पास सेंसिंग इकाई के साथ मजबूत संपर्क होता है। ट्रेड{6}ऑफ का अर्थ यह है कि चैनल 2 एक संकीर्ण माप सीमा (2-7 एमटी बनाम. 3-14 एमटी) पर संचालित होता है, जो एक विशिष्ट संवेदनशीलता {{12}बनाम{{13}रेंज संतुलन को दर्शाता है।फाइबर ऑप्टिक सेंसिंगसिस्टम.

पारंपरिक चुंबकीय क्षेत्र सेंसरों की तुलना में लाभ

पारंपरिक एकल {{0}बिंदु एमएचडी फाइबर चुंबकीय क्षेत्र सेंसर की तुलना में, यह टीडीएम दोहरी {{1}चैनल प्रणाली कई ठोस सुधार प्रदान करती है:

• बहु-बिंदु माप क्षमता:टीडीएम एक एकल φ{0}}ओटीडीआर इकाई का उपयोग करके कई स्थानों पर एक साथ निगरानी करने में सक्षम बनाता है, जिससे प्रत्येक माप बिंदु पर अलग-अलग पूछताछ प्रणालियों की आवश्यकता समाप्त हो जाती है।
• प्रकाश स्रोत के उतार-चढ़ाव के प्रति कम संवेदनशीलता:पूर्ण ऑप्टिकल पावर के बजाय क्षीणन ढलान को मापकर, सिस्टम प्रकाश स्रोत अस्थिरता - के कारण होने वाली त्रुटियों को कम करता है, जो पावर आधारित एमएचडी सेंसर की एक प्रसिद्ध कमजोरी है।
• स्पेक्ट्रोमीटर की आवश्यकता नहीं:तरंग दैर्ध्य शिफ्ट सेंसर के विपरीत, यह प्रणाली ऑप्टिकल स्पेक्ट्रम विश्लेषकों पर निर्भर नहीं करती है, जिससे उपकरण लागत और भौतिक पदचिह्न दोनों कम हो जाते हैं।
• सरल निर्माण:पतला फ़ाइबर सेंसर एक मानक हीट {{0}और -पुल प्रक्रिया के माध्यम से उत्पादित किए जाते हैं, जिससे उन्हें फोटोनिक क्रिस्टल फ़ाइबर या विशेष झंझरी संरचनाओं की तुलना में निर्माण करना अपेक्षाकृत आसान हो जाता है।
• दूरस्थ निगरानी अनुकूलता:सिस्टम मानक के माध्यम से लंबी दूरी के सिग्नल ट्रांसमिशन का समर्थन करता हैऑप्टिकल केबलबुनियादी ढाँचा, इसे दूरस्थ क्षेत्र में तैनाती के लिए उपयुक्त बनाता है।

  

रिमोट मल्टी{0}}प्वाइंट मैग्नेटिक फील्ड मॉनिटरिंग के लिए एप्लिकेशन परिदृश्य

मल्टी-प्वाइंट सेंसिंग, इलेक्ट्रोमैग्नेटिक इंटरफेरेंस इम्युनिटी और रिमोट मॉनिटरिंग क्षमता का संयोजन इस प्रणाली को कई व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए प्रासंगिक बनाता है:

विद्युत पारेषण अवसंरचना:उच्च वोल्टेज ट्रांसमिशन लाइनों के साथ चुंबकीय क्षेत्र वितरण की निगरानी से वर्तमान रिसाव, उपकरण गिरावट, या बाहरी हस्तक्षेप से संबंधित विसंगतियों का पता लगाने में मदद मिलती है। सिस्टम की कार्य करने की क्षमतालंबा फाइबर चलता हैइस संदर्भ में विशेष रूप से मूल्यवान है।

औद्योगिक मशीनरी निगरानी:बड़े मोटर, जनरेटर और ट्रांसफार्मर चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करते हैं जो परिचालन स्वास्थ्य से संबंधित होते हैं। मल्टी-प्वाइंट फाइबर सेंसिंग माप वातावरण में प्रवाहकीय सामग्रियों को शामिल किए बिना निरंतर निगरानी की अनुमति देता है।

वैज्ञानिक अनुसंधान उपकरण:प्रयोगशाला के वातावरण में जहां सटीक, हस्तक्षेप मुक्त चुंबकीय क्षेत्र मानचित्रण की आवश्यकता होती है - जैसे कण भौतिकी प्रयोग या सामग्री अनुसंधान - फाइबर आधारित सेंसिंग विद्युत चुम्बकीय संदूषण से बचाती है जो पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक सेंसर पेश कर सकते हैं।

समुद्र के अंदर और भूमिगत निगरानी:ऐसे वातावरण के लिए जहां सीधी पहुंच सीमित है, फाइबर ऑप्टिक सेंसर की संक्षारण प्रतिरोध और लंबी दूरी की क्षमता इलेक्ट्रॉनिक विकल्पों पर व्यावहारिक लाभ प्रदान करती है। यह फाइबर सेंसिंग अनुप्रयोगों के साथ संरेखित होता हैभूमिगत केबलनिगरानी और उपसमुद्री बुनियादी ढांचे का निरीक्षण।

वर्तमान सीमाएँ और भविष्य की दिशाएँ

हालाँकि सिस्टम आशाजनक प्रदर्शन प्रदर्शित करता है, व्यावहारिक तैनाती पर विचार के लिए कई सीमाओं पर ध्यान दिया जाना चाहिए:

माप सीमा चुंबकीय द्रव की संतृप्ति विशेषताओं द्वारा बाधित होती है। चैनल 1 3-14 एमटी के भीतर संचालित होता है और चैनल 2 2-7 एमटी के भीतर संचालित होता है।

उपलब्ध आंकड़ों में चुंबकीय द्रव की तापमान संवेदनशीलता को पूरी तरह से चित्रित नहीं किया गया है। चूंकि एमएचडी अपवर्तक सूचकांक तापमान पर निर्भर है, इसलिए वास्तविक तैनाती के लिए या तो तापमान मुआवजे या नियंत्रित थर्मल वातावरण की आवश्यकता होगी।

सिस्टम वर्तमान में दो {{0}चैनल ऑपरेशन प्रदर्शित करता है। बड़ी संख्या में सेंसिंग पॉइंट्स तक स्केलिंग के लिए सिग्नल के सावधानीपूर्वक प्रबंधन की आवश्यकता होगी {{2}से -शोर अनुपात क्योंकि ऑप्टिकल पावर बजट को अधिक चैनलों में विभाजित किया गया है।

भविष्य के अनुकूलन में बेहतर चुंबकीय द्रव फॉर्मूलेशन के माध्यम से माप सीमा का विस्तार करने, उन्नत टीडीएम या तरंग दैर्ध्य डिवीजन मल्टीप्लेक्सिंग (डब्ल्यूडीएम) हाइब्रिड योजनाओं के माध्यम से चैनल गिनती बढ़ाने और बाहरी तैनाती के लिए तापमान मुआवजा तंत्र को एकीकृत करने पर ध्यान केंद्रित किया जा सकता है।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्नों

चुंबकीय क्षेत्र संवेदन में टीडीएम की क्या भूमिका है?

टाइम डिवीजन मल्टीप्लेक्सिंग (टीडीएम) एक एकल पूछताछ इकाई को समय में उनके रिटर्न सिग्नल को अलग करके कई सेंसिंग बिंदुओं से सिग्नल को अलग करने की अनुमति देता है। इस प्रणाली में, टीडीएम प्रत्येक बिंदु के लिए अलग उपकरण की आवश्यकता के बिना दो या दो से अधिक स्थानों पर एक साथ चुंबकीय क्षेत्र माप को सक्षम बनाता है।

इस प्रणाली में φ-OTDR का उपयोग क्यों किया जाता है?

एक चरण {{0} संवेदनशील ऑप्टिकल टाइम डोमेन रिफ्लेक्टोमीटर (φ - OTDR) सटीक समयबद्ध ऑप्टिकल पल्स उत्पन्न करता है और उच्च अस्थायी रिज़ॉल्यूशन के साथ लौटाए गए संकेतों का विश्लेषण करता है। यह इसे टीडीएम आधारित वितरित सेंसिंग के लिए उपयुक्त बनाता है, जहां प्रत्येक लौटाए गए सिग्नल की उत्पत्ति की पहचान उड़ान माप के सटीक समय पर निर्भर करती है। ओटीडीआर सिद्धांतों पर अधिक जानकारी के लिए देखेंओटीडीआर परीक्षण सिद्धांत गाइड.

दो संवेदन चैनलों की संवेदनशीलता सीमाएँ क्या हैं?

चैनल 1 3-14 एमटी की फ़ील्ड रेंज पर −1.09 डीबी/(किमी·एमटी) की संवेदनशीलता प्राप्त करता है। चैनल 2 2-7 एमटी से अधिक −3.466 डीबी/(किमी·एमटी) प्राप्त करता है। चैनल 2 की उच्च संवेदनशीलता इनपुट ऑप्टिकल पावर (99% बनाम . 1%) का एक बड़ा हिस्सा प्राप्त करने से आती है, जो सिग्नल को {{13} से {{14} तक शोर अनुपात को बढ़ाती है लेकिन प्रयोग करने योग्य माप सीमा को कम करती है।

यह प्रणाली प्रकाश स्रोत के उतार-चढ़ाव के प्रभाव को कैसे कम करती है?

पूर्ण ऑप्टिकल शक्ति (जो स्रोत में उतार-चढ़ाव होने पर बदलती है) को मापने के बजाय, सिस्टम सेंसिंग चैनल के साथ ऑप्टिकल क्षीणन की दर को मापता है। स्रोत शक्ति भिन्न होने पर भी यह क्षीणन ढलान स्थिर रहता है, क्योंकि ढलान कुल शक्ति स्तर के बजाय प्रति इकाई लंबाई में सापेक्ष परिवर्तन को दर्शाता है। स्थिरता परीक्षणों ने स्रोत शक्ति में 4.26% भिन्नता के बावजूद क्षीणन ढलान में उप-1.1% भिन्नता की पुष्टि की।

क्या इस प्रणाली का उपयोग पानी के भीतर चुंबकीय क्षेत्र की निगरानी के लिए किया जा सकता है?

सिद्धांत रूप में, हाँ. ऑप्टिकल फाइबर सेंसर स्वाभाविक रूप से विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप के प्रति प्रतिरक्षित और संक्षारण प्रतिरोधी होते हैं, जो उन्हें पानी के भीतर के वातावरण के लिए उपयुक्त बनाते हैं। हालाँकि, चुंबकीय द्रव कोटिंग और फाइबर कनेक्शन के लिए उचित पर्यावरण संरक्षण की आवश्यकता होगीपानी के अंदर तैनाती.

चुंबकीय द्रव (एमएचडी) क्या है और इसका उपयोग ऑप्टिकल फाइबर के साथ क्यों किया जाता है?

चुंबकीय द्रव (जिसे फेरोफ्लुइड या एमएचडी भी कहा जाता है) एक वाहक तरल में नैनोस्केल चुंबकीय कणों का कोलाइडल निलंबन है। जब कोई बाहरी चुंबकीय क्षेत्र लागू किया जाता है, तो द्रव का अपवर्तनांक बदल जाता है। एमएचडी के साथ एक ऑप्टिकल फाइबर को कोटिंग या घेरने से, फाइबर के प्रकाश संचरण गुण आसपास के चुंबकीय क्षेत्र के प्रति संवेदनशील हो जाते हैं, जिससे माप बिंदु पर किसी भी इलेक्ट्रॉनिक घटक के बिना ऑप्टिकल चुंबकीय क्षेत्र संवेदन सक्षम हो जाता है।