Розподілені оптичні волоконні датчики (DFOS) — це тип оптичних волоконних датчиків, що дозволяють здійснювати вимірювання фізичних параметрів (температура, тиск, деформація тощо) по всій довжині оптичного волокна, а не лише в окремих точках. Це дає можливість здійснювати моніторинг величезних об’єктів або лінійних систем (наприклад, трубопроводів, залізничних шляхів, дамб) без необхідності встановлення великої кількості точкових датчиків.

Принцип роботи розподілених оптичних волоконних датчиків

Розподілені оптичні волоконні датчики працюють за допомогою того, що сигнал, що проходить через волокно, змінюється в залежності від фізичних властивостей середовища на кожному відрізку волокна. В залежності від типу технології вимірювання, зміни можуть бути зафіксовані в таких фізичних величинах, як температура, деформація чи тиск. Основні принципи включають:

  1. Розсіяне відбиття Рамана (Raman scattering): Цей принцип ґрунтується на вимірюванні зміни часу, за який світло повертається до детектора після того, як воно взаємодіє з матеріалом волокна. У результаті цього процесу утворюються дві різні компоненти відбитого світла: одна з них з невеликою зміною частоти (Raman Stokes), інша — з більшою зміною частоти (Raman Anti-Stokes). Температурні зміни в середовищі викликають зміни в інтенсивності цих компонент. Таким чином, за аналізом змін відбитого сигналу можна визначати температуру на різних точках волокна.
  2. Розсіяне відбиття Бреля (Brillouin scattering): Цей метод заснований на вивченні зміни частоти світла, яке поширюється через волокно в результаті взаємодії світлових хвиль з акустичними хвилями в матеріалі волокна. Ці зміни частоти можна використовувати для вимірювання деформацій або механічних напруг на різних точках волокна.
  3. Оптичний час пройому (OTDR, Optical Time Domain Reflectometry): Це метод, при якому світловий імпульс передається через оптичне волокно, а потім відбивається від будь-яких неоднорідностей або змін в середовищі. Зміна в часі, за який імпульс повертається до приймача, дозволяє визначити зміни, що відбуваються в середовищі (наприклад, механічні деформації, температура).
  4. Сенсори на основі Брега-решітки (FBG): Для отримання розподілених вимірювань можна використовувати Брега-решітки, які можуть бути інтегровані по всій довжині волокна. Зміна механічного навантаження або температури на різних ділянках волокна спричиняє зміни в відбитих від Брега-решітки світлових хвилях, що дозволяє здійснювати вимірювання на різних точках.

Типи розподілених оптичних волоконних датчиків (DFOS)

  1. Розподілені температурні датчики: Це один із найбільш поширених типів DFOS, де зміна температури вимірюється по всій довжині волокна. Вони використовують принцип розсіяння Рамана або Бриля для оцінки температури на кожній точці волокна.
  2. Розподілені датчики деформації: Такі датчики дозволяють вимірювати механічні деформації, напруги або переміщення в об’єктах або конструкціях. Вони використовують методи, засновані на вимірюванні зміни інтенсивності відбитого світла при деформації волокна.
  3. Розподілені датчики тиску: Ці датчики використовують зміни в оптичному сигналу, щоб визначити зміну тиску в певних точках волокна. Це може бути корисно для моніторингу тиску в трубопроводах або різних інженерних системах.
  4. Розподілені датчики для виявлення тріщин: Вони призначені для виявлення наявності тріщин або пошкоджень у конструкціях. Зміни в структурі або напрузі, спричинені утворенням тріщин, можуть бути відслідковані за допомогою розподілених датчиків.

Переваги DFOS

  1. Висока точність і чутливість: Розподілені оптичні датчики дозволяють вимірювати величезні об’єми даних з високою точністю і чутливістю, визначаючи параметри на рівні міліметрів або навіть мікрометрів по всій довжині волокна.
  2. Безконтактність: Оскільки оптичні волокна не мають прямого контакту з середовищем, вони ідеально підходять для вимірювань в агресивних або небезпечних середовищах, таких як високі температури, тиск або токсичні хімічні речовини.
  3. Моніторинг великих об’єктів: За допомогою одного волокна можна здійснювати моніторинг великих об’єктів або довгих лінійних структур (наприклад, трубопроводів, мостів, доріг), що значно знижує витрати на інфраструктуру.
  4. Висока стійкість до електромагнітних завад: Оскільки датчики на основі оптичних волокон не зазнають впливу електромагнітних перешкод, вони можуть працювати в середовищах з високими рівнями електричних або магнітних полів.
  5. Робота в складних умовах: Завдяки своїй гнучкості і стійкості до температурних, механічних і хімічних змін, розподілені оптичні датчики можуть бути використані в екстремальних умовах, таких як в глибоководні дослідження, нафтові буріння або ядерні реактори.

Недоліки DFOS

  1. Вартість: Вартість таких систем може бути значно вищою порівняно з традиційними методами моніторингу, що може обмежувати їх застосування в деяких сферах.
  2. Потреба у складному обладнанні для обробки даних: Розподілені оптичні датчики генерують велику кількість даних, що вимагає потужного обладнання для їх обробки та аналізу.
  3. Висока складність встановлення: Хоча оптичні волокна є гнучкими, процес їх інтеграції на великих об’єктах чи в складних середовищах може вимагати висококваліфікованих спеціалістів.

Застосування розподілених оптичних волоконних датчиків

  1. Інженерні та будівельні конструкції: Для моніторингу великих інфраструктурних об’єктів, таких як мости, тунелі, дамби та дороги, для виявлення тріщин, деформацій і перепадів температур.
  2. Моніторинг трубопроводів та нафтових платформ: DFOS застосовуються для постійного моніторингу стану трубопроводів, виявлення витоків або тріщин, а також для вимірювання температури і тиску в різних точках.
  3. Екологічний моніторинг: Розподілені датчики використовуються для виявлення змін у температурі води або ґрунту, визначення наявності забруднень і для спостереження за станом екосистем.
  4. Автомобільний та залізничний транспорт: Використання для моніторингу стану доріг або залізничних колій на наявність деформацій або пошкоджень.

Розподілені оптичні волоконні датчики (DFOS) є потужними інструментами для здійснення точного і безконтактного моніторингу фізичних параметрів на великій площі чи довжині. Їх застосування дозволяє отримувати високоточні дані для забезпечення безпеки, ефективності і збереження інфраструктури в різних галузях, таких як будівництво, нафтова та газова промисловість, екологія та транспорт.

Дещо інше: