Czujniki światłowodowe: jak światło mierzy temperaturę, odkształcenie i ciśnienie

Światłowód kojarzy się z szybkim internetem, ale może też pełnić funkcję czujnika. Włókno szklane nie przewodzi prądu, jest odporne na zakłócenia elektromagnetyczne, nie iskrzy i może mieć długość wielu kilometrów. Dzięki temu czujniki światłowodowe sprawdzają się w transformatorach, generatorach, rurociągach, mostach, skrzydłach turbin wiatrowych czy w aparaturze medycznej pracującej w polu magnetycznym tomografu rezonansu magnetycznego.

Siatki Bragga (FBG)

Najpopularniejszym typem czujnika punktowego jest światłowodowa siatka Bragga (ang. fiber Bragg grating, FBG). To krótki odcinek rdzenia światłowodu, w którym promieniowaniem UV zapisano okresową zmianę współczynnika załamania. Siatka odbija wąskie pasmo światła o długości fali Bragga:

λB = 2 · neff · Λ

gdzie n_eff to efektywny współczynnik załamania, a Λ to okres siatki. Rozciągnięcie włókna zwiększa okres, a zmiana temperatury zmienia zarówno okres, jak i współczynnik załamania. Długość fali odbitej zmienia się więc proporcjonalnie do odkształcenia i temperatury. Dla siatek pracujących w okolicy 1550 nm typowa czułość wynosi około 1,2 pm na mikroodkształcenie (pm/µε) i około 10 pm/°C.

Rozdzielenie temperatury i odkształcenia

Ponieważ siatka reaguje na obie wielkości, w praktyce stosuje się siatkę referencyjną odizolowaną od naprężeń, pary siatek o różnej czułości albo specjalne mocowania. To klasyczny problem metrologiczny: czujnik mierzy „wszystko naraz”, a zadaniem projektanta jest rozdzielić składowe.

Multipleksowanie

W jednym włóknie można zapisać kilkanaście, a nawet kilkadziesiąt siatek o różnych długościach fal Bragga. Wszystkie odczytuje jeden przyrząd, tzw. interrogator. Jedno włókno przeprowadzone wzdłuż konstrukcji zastępuje wtedy wiele osobnych czujników z okablowaniem.

Pomiary rozłożone

Zupełnie inną klasę stanowią systemy pomiaru rozłożonego, w których czujnikiem jest całe włókno. Wykorzystuje się rozpraszanie światła wewnątrz szkła:

• rozpraszanie Ramana – rozłożony pomiar temperatury (DTS), np. w kablach energetycznych i odwiertach;
• rozpraszanie Brillouina – temperatura i odkształcenie na długich odcinkach, np. w monitorowaniu rurociągów i wałów przeciwpowodziowych;
• rozpraszanie Rayleigha – detekcja drgań (DAS) i pomiary o dużej rozdzielczości przestrzennej.

Inne konstrukcje

Poza siatkami stosuje się interferometry Fabry’ego–Perota na końcu włókna (np. miniaturowe czujniki ciśnienia), czujniki intensywnościowe i czujniki oparte na fluorescencji, np. do pomiaru temperatury w polach mikrofalowych. Mikroobróbka końcówki włókna, np. zogniskowaną wiązką jonów lub laserem, pozwala tworzyć na niej struktury pomiarowe o rozmiarach mikrometrów.

Kiedy warto, a kiedy nie

• Warto: silne pola elektromagnetyczne, wysokie napięcie, strefy Ex, duże odległości, wiele punktów pomiarowych na jednej linii, środowisko agresywne chemicznie.
• Nie warto: pojedynczy punkt pomiarowy w zwykłych warunkach. Interrogator kosztuje zwykle znacznie więcej niż klasyczny czujnik z elektroniką.
• Pamiętaj o mocowaniu: sposób przyklejenia lub osadzenia włókna decyduje o tym, jaka część odkształcenia konstrukcji dociera do siatki.

Źródła

1. Hill K. O., Meltz G. (1997). Fiber Bragg grating technology fundamentals and overview. Journal of Lightwave Technology 15(8): 1263–1276. doi:10.1109/50.618320
2. Kersey A. D. i in. (1997). Fiber grating sensors. Journal of Lightwave Technology 15(8): 1442–1463. doi:10.1109/50.618377
3. Udd E., Spillman W. B. (red.) (2011). Fiber Optic Sensors: An Introduction for Engineers and Scientists, wyd. 2. Wiley.

• światłowody
• czujniki
• metody pomiarowe