חיישן שדה מגנטי יכול לאתר מידע על שדה מגנטי בסביבה, וממלא תפקיד חשוב בחקירה גיאולוגית, העברת כוח, תעופה וחלל ושדות אחרים. כננו-חומר רגיש מגנטית מתקדם, MHD לא רק מציג תכונות מגנטו-אופטיות עשירות (כמו כוונון אינדקס שבירה ואפקט בהרידה), אלא גם משתלב בצורה חלקה עם סיבים אופטיים בגלל נזילות הנוזל שלו, המציגה פוטנציאל יישום רחב בשדה של תחוש שדה מגנטי אופטי. בשנים האחרונות חיישן השדה המגנטי של סיבי MHD מודאג באופן נרחב על ידי חוקרים בבית ומחוצה לה בגלל יכולת ההפרעה האנטי-אלקטרומגנטית החזקה שלו, עמידות בפני קורוזיה, בטיחות גבוהה ותמיכה במעקב מרחוק.
נכון לעכשיו, מבני חיישן השדה המגנטי הנפוץ של סיבי MHD כוללים סיבים חרוטיים, סיבי קריסטל פוטוניים מלאים ב- MHD [8], סיבים יחידים עם מצב חד-רחבי וסורג סיבים ארוך-תקופה. חיישנים אלה מנוזלים בשתי שיטות עיקריות: איתור ערך כוח וגילוי קיזוז אורך גל, כדי להשיג מדידת שדה מגנטי. עם זאת, החיישן המבוסס על איתור ערך כוח מושפע בקלות מתנודת הכוח של מקור האור, מה שעלול לגרום לשגיאת המדידה לעלייה. חיישנים המבוססים על איתור קיזוז באורך הגל מסתמכים על ספקטרומטרים למדידת שינויים באורך הגל, מה שלא רק מגדיל את העלות, אלא גם דורש ציוד ניתוח אופטי גדול יותר. בנוסף, חיישנים קיימים מציעים לרוב רק נקודה אחת של יכולת מדידה.
כדי לפתור בעיות אלה, מוצעת במאמר זה מערכת חישת שדה מגנטית מחודדת כפולה-מחודדת על בסיס טכנולוגיית Multiving Multiplexing (TDM). המערכת נועדה להתגבר על המגבלות של הטכנולוגיה הקיימת ולספק פתרון מדידת שדה מגנטי מרובה-נקודה מדויק יותר.
עקרון מערכת חישת שדה מגנטית של סיבים מגנטיים של ערוץ כפול
ההעברה, קבלת הפנים, המרה פוטו-אלקטרונית ועיבוד נתונים של אור פועם מבוצעים על ידי תחום הזמן האופטי הרגיש לשלב (φ-OTDR) הממוקם משמאל לתמונה. בשל האנרגיה הגבוהה של הדופק הראשוני כאשר מכשיר φ-OTDR שולח את דופק הבדיקה, יתכן כי המקלט לא יוכל לזהות או לעבד במדויק את האות המוחזר בפרק זמן קצר. על מנת לפתור בעיה זו, סיב עיכוב מחובר לפלט של ה- OTDR. תהליך העבודה הספציפי הוא כדלקמן: האור הפועם שנוצר על ידי מכשיר φ-OTDR מועבר לראשונה דרך הסיב המתעכב כדי להפחית את ההשפעה של אנרגיית הדופק הראשונית על עיבוד האות לאחר מכן.
לאחר מכן משולבים האור הפועם ליציאה 2 של המחזור, המועבר דרך הנתיב האופטי הפנימי של המחזור, ופלט מיציאה 3 של המחזור. בשלב הבא, האור הפועם נכנס מצמד 1 (OC1), שם 1% מהאור הפועם מוקצה לתעלה 1 המורכבת מ- OC1 ו- OC2, ואילו 99% מהאור מועבר לתעלה 2 המורכבת מ- OC3 ו- OC4. בערוץ חישה 1, האור הפועם מוחזר ל- OC2 לאחר שעבר דרך יחידת החישה (SU), שם 99% מהאור ממשיך להסתובב בערוץ 1 חישה, ו -1% מהאור מועבר חזרה ל- φ-OTDR דרך המחזור. באופן דומה, בערוץ 2 חישה, האור גם הולך באותה דרך למחזור. מסלול האור הפועם מוצג על ידי החצים באיור. אור פועם רכיבה על אופניים פעמים רבות בערוץ החישה, ובכל פעם שהוא עובר בשדה המגנטי SU, הוא יחווה אובדן מסוים.
יַצִיבוּת מִבְחָן
ראשית, בסביבת שדה לא מגנטית, חזרו שיפוע הדופק של מערכת החישה וכוח האופטי הפלט של הלייזר במשך 3 0 פעמים כדי להשיג את מדרון ההנחתה הממוצע של המערכת, כפי שמוצג באיור. 4 (א). ניתן לראות כי הכוח האופטי של הפלט הממוצע של הלייזר הוא 1.21 מגוואט, וסטיית התקן היא 0. 051 6 MW, השווה ל -4.26% מהממוצע. ב -3 0 ניסויים חוזרים ונשנים, מדרונות ההנחתה הממוצעים של ערוץ חיישן 1 וערוץ 2 הם -11. 57 db/km ו- -18. 117 db/km בהתאמה, וסט התקן המתאים הם {{2 0}. מהווים 0.942% ו- 0.684% מערכי הממוצע שלהם בהתאמה. זה מראה שגם אם כוחו של מקור האור משתנה, המערכת עדיין מראה יציבות טובה ותוצאות המדידה אמינות.
שנית, תעלות החיישן 1 ו -2 הונחו תחת עוצמת שדה מגנטית קבועה של 5 MT כדי להעריך את יציבות התגובה של מערכת חישת השדה המגנטי. תוצאות הניסוי מוצגות באיור. 4 (ב). ניתן לראות כי שיפוע ההנחתה הממוצע של ערוץ חישה 1 הוא -14. 85 dB/km, וסטיית התקן היא 0. 131 dB/km, מהווה את 0. 882% מהערך הממוצע. שיפוע ההנחתה הממוצע של ערוץ חיישן 2 הוא -30. 94 dB/km, וסטיית התקן היא 0. 315 dB/km, המהווה 1.02% מהערך הממוצע. נתונים אלה מוכיחים כי לתגובת מערכת החיישנים בהשפעת שדה מגנטי יש עקביות ויציבות גבוהה.
מערכת חישת שדה מגנטית מחודדת כפולה-ערוץ כפול, המבוססת על טכנולוגיית ריבוי חלוקת זמן (TDM) משפרת באופן משמעותי את יכולת המרבב של מערכות חישת שדה מגנטיות של סיבים. המערכת מגלה את קצב ההתייחסות של האור הפועם בערוץ החישה במדויק ומשלב טכנולוגיית TDM כדי לממש את המדידה בו זמנית של שדה מגנטי רב-נקודה.
בהשוואה לחיישן השדה המגנטי המסורתי של סיבים MHD, למערכת לא רק יכולת שימוש חוזר חזק יותר, אלא שיש לה גם סובלנות גבוהה יותר לתנודת הכוח של מקור האור. תוצאות הניסוי מראות כי הרגישות לשדה המגנטי של שני ערוצי החישה מגיעה ל- -1. 09 dB/(km • mt) ו- -3. 466 dB/(km • MT) בהתאמה בטווח עוצמת השדה של 3 ~ 14 MT ו- 2 ~ 7 MT. נתונים אלה מראים כי המערכת יכולה לספק תוצאות מדידות דיוק גבוהות על פני מגוון רחב של שדות מגנטיים.
למערכת החיישנים יתרונות רבים: תהליך ייצור פשוט, יכולת שימוש חוזר חזקה, ביצועי הפרעות אנטי-אלקטרומגנטיים מעולים, יציבות טובה, תמיכה לניטור מרחוק וכן הלאה. לפיכך, זה מתאים במיוחד ליישומים הדורשים ניטור שדה מגנטי מרוחק מרחוק, כמו קווי העברת כוח, מכשירים מכניים גדולים ושדות מחקר מדעיים, המציגים סיכויי יישום רחבים.