ידע

חישת סיבים אופטיים הופכת סיב אופטי רגיל לחיישן ארוך ורציף. במקום לשאת רק נתונים, הסיב נושא אור שתכונותיו משתנות כאשר טמפרטורה, מתח, לחץ או רטט פועלים על הכבל. על ידי קריאת שינויים אלה, מערכת חישה יכולה לדווח על מה שקורה - ובדרך כלל בדיוקאֵיפֹהזה קורה - על פני מרחקים מכמה מטרים עד עשרות קילומטרים. מדריך זה עובר על אופן הפעולה של הטכנולוגיה שלב אחר שלב, שלושת הסוגים העיקריים וכיצד הם שונים, היכן כל אחד מתאים, והגבולות שכדאי לתכנן סביבם.

מהי טכנולוגיית חישה סיבים אופטיים?

חישה סיבים אופטיים היא שיטת מדידה המשתמשת בסיב האופטי עצמו כאלמנט החישה. מקור אור משגר אור לתוך הסיב; בזמן שאור זה נע, תנאים חיצוניים משנים מעט את עוצמתו, אורך הגל, הפאזה, הקיטוב שלו, או האופן שבו הוא מתפזר בתוך הזכוכית. מכשיר בקצה הסיב קורא את השינויים הללו וממיר אותם למדידות פיזיות כגון טמפרטורה, מתח או רטט.

מכיוון שנקודת החישה עשויה מזכוכית ואינה נושאת זרם חשמלי, חישת סיבים אופטיים חסינה בפני הפרעות אלקטרומגנטיות ובטוחה לפריסה בהגדרות נפץ או אגרסיביות מבחינה כימית - איכויות חשובות על צינורות, מערכות חשמל, מנהרות וגשרים שבהם חיישנים חשמליים נאבקים. אותו סיב יכול לשמש גם כחיישן וגם כנתיב האות, מה ששומר על חומרת השדה פשוטה. הסיב הוא בדרך כלל תקןסיב אופטי-יחידעבור מערכות מתח, אקוסטיות ו-Brillouin, בעוד שמערכות טמפרטורה-רק רמאן פועלות לרוב על סיבים מולטי-מודים.

כיצד פועלת טכנולוגיית חישה סיבים אופטיים?

כל מערכת חישה בסיבים אופטיים עוקבת אחר אותה שרשרת: שלח אור פנימה, תן לסביבה לשנות אותו, קרא את האור שחוזר, ותרגם את השינוי למדידה. הנה מה שקורה בכל שלב.

1. אור עובר דרך הסיבים

מקור לייזר או פס רחב משגר אור - בדרך כלל סדרה של פולסים קצרים - לתוך ליבת הסיבים, כאשר השתקפות פנימית מוחלטת שומר אותו מונחה לאורך הכבל. במערכת חישה האור הזה הוא הבדיקה: כל דבר שמשפיע עליו בדרך הופך למידע.

2. הסביבה משנה את האור

כאשר טמפרטורה, מתח, לחץ או רטט פועלים על קטע סיבים, הם משנים מעט את הזכוכית - את אורכה, מקדם השבירה שלה, או את המרווח בין מבנים פנימיים. השינויים הפיזיקליים הקטנים הללו משנים מאפיינים אחת או יותר של האור: אורך הגל, עוצמתו, הפאזה, הקיטוב שלו או הספקטרום של החלק המתפזר לאחור. גודל השינוי הוא פרופורציונלי לעוצמת האפקט החיצוני, וזה מה שמאפשר מדידה מכוילת.

3. אור מחזיר או מתפזר לאחור

חלק מהאור חוזר לכיוון המקור. בחיישנים מסוימים זה משתקף על ידי מבנה מכוון שנכתב לתוך הסיב, כגון סיב בראג. במערכות מבוזרות הזכוכית עצמה מפזרת זרם קלוש של אור בחזרה לאורך כל הסיב ללא תוספת רכיבים. כך או כך, האור החוזר נושא את טביעת האצבע של כל מה שפעל על הסיב.

4. חוקר קורא ומאתר את האות

מכשיר הנקרא חוקר (או דמודולטור) מודד את האור החוזר. עבור מערכות מבוזרות, זה גם גובה את משך הזמן שלוקח לאור לחזור - אותו רעיון כמו רפלקמטר זמן אופטי-דומיין (OTDR). מכיוון שמהירות האור בסיב ידועה, זמן ההליכה- הלוך ושוב מצביע על המיקום של כל שינוי לאורך הכבל. לאחר מכן החוקר ממיר את השינוי האופטי לקריאה מכוילת של טמפרטורה, מתח או רטט, עם עמדה מחוברת.

האור נכנס פנימה, הסביבה מותירה את חותמה על האור הזה, האור חוזר וחוקר הופך את השינוי - והמקום שבו הוא התרחש - למדידה.

סוגים עיקריים של טכנולוגיות חישה סיבים אופטיים

חישה סיבים אופטיים מקובצים בדרך כלל לשלוש משפחות על סמך כמה נקודות לאורך הסיב ניתן למדוד ואיך מתרחשת החישה.

חישה נקודתית של סיבים אופטיים

חיישן נקודתי מודד מיקום בודד. אלמנט חישה ייעודי מגיב לפרמטר אחד - טמפרטורה, לחץ או תאוצה, למשל - והעיצוב פשוט ובעלות נמוכה יחסית.

הדוגמה הנפוצה ביותר היאסיב בראג סורג (FBG). סורג הוא שינוי תקופתי במקדם השבירה של ליבת הסיבים, שנוצר על ידי חשיפת הליבה לדפוס הפרעות אולטרה סגול אינטנסיבי. הסורג משקף אורך גל מסוים אחד - את אורך הגל של Bragg - ונותן לשאר לעבור. כאשר המתח נמתח, הסורג או החום מרחיב אותו, המרווח משתנה ואורך הגל המוחזר משתנה; החוקר קורא את המשמרת וממיר אותה לערך. ליד אורך הגל של 1550 ננומטר, אורך הגל המוחזר של FBG טיפוסי נע בסדר גודל של פיקומטר אחד לכל זן מיקרו של מתיחה וכמה פיקומטרים לכל מעלות צלזיוס של חימום. תוכניות מחקר ותעופה וחלל אפיינו את הרגישות הכפולה הזו לפרטי פרטים, כוללהערכות נאס"א של חיישני מתח משובצים של FBGבטמפרטורות גבוהות. חיישני נקודה נוספים כוללים גירוסקופים לייזר וחיישני שדה מגנטי סיבים-אופטייםעבור מדידות מיוחדות.

חישת סיבים אופטיים מעין-

מערכת כמעט-מבוזרת מחברת מספר חיישני נקודות בסדרה לאורך סיב אחד -, למשל, מחרוזת של FBGs, שכל אחד מהם משקף אורך גל שונה במקצת, כך שהחוקר יכול להבדיל ביניהם. סיב אחד יכול לדווח על טמפרטורה, רטט, לחץ או מתח במקומות נפרדים רבים בו-זמנית. ההחלפה-מובנית בפיזיקה: מספר החיישנים על סיב בודד מוגבל על ידי רוחב הפס של המקור וחלון אורך הגל שכל רשת יכולה לתפוס, והסיב אינו חש דבר במרווחים בין אלמנטים. גישות קשורות לסיבים-, כגוןמערכות חישה ארוכות-תקופה ארוכה, פעל לפי עקרונות דומים עם התנהגות ספקטרלית שונה.

חישת סיבים אופטיים מבוזרת

מערכת מבוזרת משתמשת בסיב החשוף כחיישן רציף, ללא נקודות חישה בדידות כלל. הוא מסתמך על אור שמתפזר באופן טבעי בתוך הזכוכית וקורא כיצד האור המפוזר משתנה לכל אורכה. שְׁלוֹשָׁהמנגנוני פיזור-אורמשמשים, כל אחד מתאים לפרמטרים שונים:

• פיזור רייליהוא תהליך אלסטי שאינו מעביר את תדר האור. הוא החזק מבין השלושה והבסיס לחישה אקוסטית ורטט מבוזרת (DAS/DVS), כאשר מדידות מהירות-של ירייה בודדות עוקבות אחר מתח דינמי כגון צליל ורטט.
• פיזור ראמאןמייצר אור שעוצמתו תלויה בטמפרטורה, מה שהופך אותו לבסיס של חישת טמפרטורה מבוזרת (DTS).
• פיזור ברילואיןמשתנה בתדירות הן עם המאמץ והן עם הטמפרטורה, כך שהוא עומד בבסיס חישת המתח והטמפרטורה מבוזרת למרחקים ארוכים.

מכיוון שהמערכת דוגמת את כל הסיב ולא נקודות קבועות, כבל בודד יכול לספק אלפי עמדות מדידה רציפות ביעילות על פני עשרות קילומטרים. הכיסוי הזה הוא הסיבה שהחישה המבוזרת גדלה במהירות עבור נכסים ליניאריים ארוכים שבהם יכולה להופיע בעיה בכל מקום.

חישה נקודתית לעומת קוואזי-מחולקת לעומת מבוזרת סיבים אופטיים

שלוש המשפחות עונות על שאלות שונות. חישת נקודה שואלת "מה קורה בנקודה האחת הזו?"; כמעט-מבוזר שואל "מה קורה במקומות הידועים האלה?"; מופץ שואל "מה קורה בכל מקום לאורך המסלול הזה?" הטבלה שלהלן מסכמת את ההבדלים המעשיים.

יישומים נפוצים של חישה סיבים אופטיים

• ניטור צנרת ואיתור נזילות.סיב המונח לאורך צינור נפט, גז או מים יכול לסמן דליפה כחריגת טמפרטורה מקומית (DTS) ולזהות חפירה או הפרעות של -צד שלישי כחתימת רטט (DAS) - מסגרת מדויקת יותר מהביטוי הרופף "שמן וגז" המשמש לעתים למקרה שימוש זה.
• אבטחת היקפים וגבולות.חישת רטט מבוזרת מזהה ומסווגת צעדים, כלי רכב, טיפוס או חפירה לאורך קו גדר או תוואי קבור, שהם הבסיס שלזיהוי חדירת סיבים-אופטיים.
• ניטור כבל חשמל ורשת.DTS עוקב אחר הטמפרטורה של כבלי-מתח גבוה כדי לנהל עומס ולזהות נקודות חמות; לרקע ראה סקירה זו שלניטור טמפרטורה מבוזר.
• גילוי אש במנהרות ובניינים.פרופיל טמפרטורה מתמשך מעלה אזעקה במדד המדויק שבו החום עולה, הרבה לפני שגלאי- נקודה אחת יגיב.
• ניטור בריאות מבני.FBGs וחישת מתח מבוזרת מודדים עומס, סטייה וסדקים בגשרים, סכרים, מנהרות ומבנים מרוכבים גדולים לאורך חיי השירות שלהם.

• 

יתרונות ומגבלות של חישה סיבים אופטיים

כמו כל טכנולוגיית מדידה, חישת סיבים אופטיים מתאימה מאוד במצבים מסוימים ודלה במצבים אחרים. הגדרת שני הצדדים בצורה ברורה הופכת את הבחירה לקלה יותר.

איפה זה מצטיין:

• חסין בפני הפרעות אלקטרומגנטיות, שכן נקודת החישה היא זכוכית פסיבית ללא אלקטרוניקה בשטח.
• בטוח בסביבות נפיצות או קורוזיביות שבהן חיישנים חשמליים מסוכנים.
• כבל אחד יכול להחליף מאות חיישנים בדידים והחיווט שלהם, והוא משמש כנתיב הנתונים.
• מערכות מבוזרות נותנות כיסוי רציף עם מיקום, לא רק קריאות מבודדות.

איפה יש לו גבולות:

• החוקר הוא החלק היקר, כך שעבודות קצרות-בנקודות בודדות הן לרוב זולות יותר עם חיישנים קונבנציונליים.
• "דיוק גבוה" מותנה. עבור מערכות מבוזרות, הרזולוציה המרחבית, טווח החישה וקצב הדגימה משתנים אחד מול השני, ו"מבוזר" אינו אומר דיוק בלתי מוגבל.
• דיוק המיקום תלוי בשיטת החישה, כיצד מנותב הכבל ומצמד למבנה, קצב הדגימה, החוקר ואלגוריתם הניתוח.
• עיצוב, התקנה ופרשנות דורשים מומחיות מומחית.

כיצד לבחור את שיטת החישה הנכונה בסיבים אופטיים

התחל מהשאלה שאתה צריך לענות עליהן, ואז התאם אותה לשיטה:

• נקודה קריטית אחת, נמדדת במדויק- חיישן נקודתי כגון FBG.
• קומץ מיקומים ידועים על מבנה- מערך FBG כמעט-מבוזר.
• מסלול ארוך שבו צרות עלולות להופיע בכל מקום- מערכת מבוזרת: DTS עבור טמפרטורה ואש, DAS/DVS עבור רטט ופריצה, Brillouin עבור מתח.

לאחר שהשיטה ברורה, השווה פרמטרים ספציפיים לפני שאתה קונה: טווח חישה נדרש, רזולוציה מרחבית, תדירות מדידה (קצב דגימה), מסלול הכבל וכיצד הוא יתוקן לנכס, ותאימות חוקר עם הסיבים והחיישנים שאתה מתכנן לפרוס.