ความรู้

การตรวจจับด้วยไฟเบอร์ออปติกจะเปลี่ยนใยแก้วนำแสงธรรมดาให้เป็นเซ็นเซอร์ที่ยาวและต่อเนื่อง แทนที่จะนำพาข้อมูลเพียงอย่างเดียว ไฟเบอร์จะพาแสงซึ่งคุณสมบัติจะเปลี่ยนไปเมื่ออุณหภูมิ ความเครียด ความดัน หรือการสั่นสะเทือนกระทำบนสายเคเบิล ด้วยการอ่านการเปลี่ยนแปลงเหล่านั้น ระบบตรวจจับสามารถรายงานสิ่งที่เกิดขึ้น - และโดยปกติได้อย่างแม่นยำที่ไหนมันกำลังเกิดขึ้น - ในระยะทางตั้งแต่ไม่กี่เมตรถึงหลายสิบกิโลเมตร คู่มือนี้จะอธิบายวิธีการทำงานของเทคโนโลยีทีละขั้นตอน ประเภทหลักสามประเภท และความแตกต่างกันอย่างไร แต่ละประเภทเหมาะสม และขีดจำกัดที่ควรค่าแก่การวางแผน

เทคโนโลยีการตรวจจับไฟเบอร์ออปติกคืออะไร?

การตรวจจับด้วยไฟเบอร์ออปติกเป็นวิธีการวัดที่ใช้ตัวไฟเบอร์ออปติกเป็นองค์ประกอบการตรวจจับ แหล่งกำเนิดแสงจะปล่อยแสงเข้าสู่เส้นใย ขณะที่แสงเดินทาง สภาพภายนอกจะเปลี่ยนแปลงความเข้ม ความยาวคลื่น เฟส โพลาไรเซชัน หรือวิธีการกระจายภายในกระจกเล็กน้อย เครื่องมือที่ปลายเส้นใยจะอ่านการเปลี่ยนแปลงเหล่านั้นแล้วแปลงเป็นการวัดทางกายภาพ เช่น อุณหภูมิ ความเครียด หรือการสั่นสะเทือน

เนื่องจากจุดตรวจจับทำจากแก้วและไม่มีกระแสไฟฟ้า การตรวจจับด้วยไฟเบอร์ออปติกจึงมีภูมิคุ้มกันต่อการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าและปลอดภัยในการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่มีการระเบิดหรือรุนแรงทางเคมี - คุณสมบัติที่สำคัญกับท่อ ระบบไฟฟ้า อุโมงค์ และสะพานที่เซ็นเซอร์ไฟฟ้ามีปัญหา ไฟเบอร์ชนิดเดียวกันสามารถใช้เป็นทั้งเซ็นเซอร์และเส้นทางสัญญาณ ซึ่งช่วยให้ฮาร์ดแวร์ภาคสนามเรียบง่าย โดยทั่วไปแล้วเส้นใยจะเป็นมาตรฐานใยแก้วนำแสงโหมดเดี่ยว-สำหรับระบบสเตรน อะคูสติก และระบบบริลลูอิน ในขณะที่อุณหภูมิ-เฉพาะระบบรามันเท่านั้นที่มักจะทำงานบนมัลติไฟเบอร์

เทคโนโลยีการตรวจจับไฟเบอร์ออปติกทำงานอย่างไร

ระบบตรวจจับไฟเบอร์ออปติกทุกระบบอยู่ในสายโซ่เดียวกัน: ส่งแสงเข้ามา ปล่อยให้สภาพแวดล้อมแก้ไข อ่านแสงที่ส่งคืน และแปลการเปลี่ยนแปลงเป็นการวัด นี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นในแต่ละขั้นตอน

1. แสงเดินทางผ่านเส้นใย

แหล่งกำเนิดเลเซอร์หรือบรอดแบนด์ปล่อยแสง - โดยปกติเป็นชุดของพัลส์สั้น - เข้าสู่แกนไฟเบอร์ โดยที่แสงสะท้อนภายในทั้งหมดจะนำทางไปตามความยาวของสายเคเบิล ในระบบตรวจจับ แสงนี้คือหัววัด สิ่งใดก็ตามที่ส่งผลต่อมันระหว่างทางจะกลายเป็นข้อมูล

2. สิ่งแวดล้อมเปลี่ยนแสงสว่าง

เมื่ออุณหภูมิ ความเครียด ความดัน หรือการสั่นสะเทือนกระทำต่อส่วนของเส้นใย กระจกจะเปลี่ยน - ความยาว ดัชนีการหักเหของแสง หรือระยะห่างของโครงสร้างภายในเล็กน้อย การเปลี่ยนแปลงทางกายภาพเล็กๆ น้อยๆ เหล่านั้นเปลี่ยนคุณสมบัติของแสงตั้งแต่หนึ่งอย่างขึ้นไป ได้แก่ ความยาวคลื่น ความเข้ม เฟส โพลาไรเซชัน หรือสเปกตรัมของส่วนที่กระจัดกระจายไปด้านหลัง ขนาดของการเปลี่ยนแปลงจะเป็นสัดส่วนกับความแรงของเอฟเฟกต์ภายนอก ซึ่งทำให้การวัดที่ปรับเทียบแล้วเป็นไปได้

3. แสงสะท้อนหรือกระจายกลับ

แสงส่วนหนึ่งกลับเข้าหาแหล่งกำเนิด ในเซนเซอร์บางตัว จะถูกสะท้อนโดยโครงสร้างที่จงใจเขียนลงในไฟเบอร์ เช่น ตะแกรงไฟเบอร์ Bragg ในระบบแบบกระจาย ตัวกระจกจะกระจายแสงจางๆ กลับไปตามเส้นใยทั้งหมดโดยไม่มีส่วนประกอบเพิ่มเติม ไม่ว่าจะด้วยวิธีใด แสงที่สะท้อนกลับจะมีลายนิ้วมือของสิ่งใดก็ตามที่กระทำบนไฟเบอร์

4. พนักงานสอบสวนอ่านและค้นหาสัญญาณ

เครื่องมือที่เรียกว่าเครื่องสอบสวน (หรือดีมอดูเลเตอร์) จะตรวจวัดแสงที่ย้อนกลับ สำหรับระบบแบบกระจาย ยังจับเวลาด้วยว่าแสงจะใช้เวลานานแค่ไหนในการกลับมา - แนวคิดเดียวกันกับเวลาเชิงแสง-โดเมนรีเฟลกโตมิเตอร์ (OTDR) เนื่องจากทราบความเร็วแสงในเส้นใย ระยะเวลา-การเดินทางไปกลับจึงระบุตำแหน่งของการเปลี่ยนแปลงแต่ละครั้งบนสายเคเบิล จากนั้นผู้ซักถามจะแปลงการเปลี่ยนแปลงทางแสงเป็นการอ่านค่าอุณหภูมิ ความเครียด หรือการสั่นสะเทือนที่ปรับเทียบแล้ว โดยมีตำแหน่งติดอยู่

แสงเข้าไป สิ่งแวดล้อมทิ้งรอยไว้บนแสงนั้น แสงกลับมา และผู้สอบสวนเปลี่ยนการเปลี่ยนแปลง - และตำแหน่งที่เกิด - เป็นการวัด

ประเภทหลักของเทคโนโลยีการตรวจจับไฟเบอร์ออปติก

การตรวจจับด้วยไฟเบอร์ออปติกมักจะแบ่งออกเป็นสามกลุ่มโดยขึ้นอยู่กับจำนวนจุดบนเส้นใยที่สามารถวัดได้ และการตรวจจับเกิดขึ้นได้อย่างไร

การตรวจจับไฟเบอร์ออปติกแบบจุด

เซ็นเซอร์แบบจุดจะวัดตำแหน่งเดียว องค์ประกอบการตรวจจับเฉพาะตอบสนองต่อพารามิเตอร์เดียว - อุณหภูมิ ความดัน หรือการเร่งความเร็ว เช่น - และการออกแบบนั้นเรียบง่ายและมีต้นทุนค่อนข้างต่ำ

ตัวอย่างที่พบบ่อยที่สุดคือตะแกรงไฟเบอร์แบรกก์ (FBG). ตะแกรงคือการแปรผันเป็นระยะในดัชนีการหักเหของแกนไฟเบอร์ ซึ่งสร้างขึ้นโดยการเปิดเผยแกนให้สัมผัสกับรูปแบบการรบกวนของรังสีอัลตราไวโอเลตที่รุนแรง ตะแกรงสะท้อนความยาวคลื่นเฉพาะหนึ่ง - ความยาวคลื่นแบรกก์ - และปล่อยให้ส่วนที่เหลือผ่านไป เมื่อความเครียดยืดเยื้อตะแกรงหรือความร้อนขยายตัว ระยะห่างจะเปลี่ยนไปและความยาวคลื่นที่สะท้อนจะเปลี่ยนไป ผู้สอบปากคำอ่านการเปลี่ยนแปลงนั้นแล้วแปลงเป็นค่า ใกล้กับความยาวคลื่น 1550 นาโนเมตร ความยาวคลื่นที่สะท้อนของ FBG ทั่วไปจะเคลื่อนที่ตามลำดับของความร้อนหนึ่งพิโคเมตรต่อไมโครสเตรน และหลายพิโคเมตรต่อองศาเซลเซียสของความร้อน โครงการวิจัยและการบินและอวกาศได้ระบุลักษณะความไวแบบคู่นี้โดยละเอียด ซึ่งรวมถึงการประเมินของ NASA เกี่ยวกับเซ็นเซอร์ความเครียด FBG ที่ฝังอยู่ที่อุณหภูมิสูง เซ็นเซอร์จุดอื่นๆ ได้แก่ ไจโรสโคปแบบเลเซอร์และเซ็นเซอร์สนามแม่เหล็กใยแก้วนำแสง-สำหรับการวัดแบบพิเศษ

เสมือน-การตรวจจับไฟเบอร์ออปติกแบบกระจาย

ระบบกึ่งกระจาย-จะเชื่อมต่อพอยต์เซนเซอร์หลายตัวเป็นชุดตามไฟเบอร์เส้นเดียว - ตัวอย่างเช่น สาย FBG ซึ่งแต่ละตัวจะสะท้อนความยาวคลื่นที่แตกต่างกันเล็กน้อย เพื่อให้ผู้ซักถามสามารถแยกความแตกต่างได้ ไฟเบอร์หนึ่งตัวสามารถรายงานอุณหภูมิ การสั่นสะเทือน ความดัน หรือความเครียดในตำแหน่งที่แยกจากกันหลายแห่งในคราวเดียว การเปลี่ยนแปลง-นั้นถูกสร้างขึ้นในฟิสิกส์: จำนวนเซ็นเซอร์บนเส้นใยเดี่ยวถูกจำกัดโดยแบนด์วิดธ์ของแหล่งกำเนิดและหน้าต่างความยาวคลื่นที่แต่ละตะแกรงสามารถครอบครองได้ และไฟเบอร์ตรวจไม่พบสิ่งใดในช่องว่างระหว่างองค์ประกอบต่างๆ วิธีการตะแกรงไฟเบอร์-ที่เกี่ยวข้อง เช่นระบบตรวจจับตะแกรงที่มีระยะเวลานาน-ปฏิบัติตามหลักการที่คล้ายกันโดยมีพฤติกรรมสเปกตรัมต่างกัน

การตรวจจับไฟเบอร์ออปติกแบบกระจาย

ระบบแบบกระจายใช้ไฟเบอร์เปล่าเป็นเซ็นเซอร์ต่อเนื่อง โดยไม่มีจุดตรวจจับแยกเลย โดยอาศัยแสงที่กระจายตามธรรมชาติภายในกระจก และอ่านว่าแสงที่กระจัดกระจายเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรตลอดความยาวทั้งหมด สามกลไกการกระเจิงของแสง-ถูกนำมาใช้ แต่ละอันเหมาะสมกับพารามิเตอร์ที่แตกต่างกัน:

• การกระเจิงของเรย์ลีห์เป็นกระบวนการยืดหยุ่นที่ไม่เปลี่ยนความถี่ของแสง เป็นอุปกรณ์ที่แข็งแกร่งที่สุดในสามประเภทและเป็นพื้นฐานของการตรวจจับเสียงและการสั่นสะเทือนแบบกระจาย (DAS/DVS) โดยที่การวัดช็อตเดียวที่รวดเร็ว-จะติดตามความเครียดแบบไดนามิก เช่น เสียงและการสั่นสะเทือน
• รามันกระจัดกระจายผลิตแสงที่มีความเข้มขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ซึ่งทำให้เป็นพื้นฐานของการตรวจจับอุณหภูมิแบบกระจาย (DTS)
• การกระเจิงของบริลลูอินการเปลี่ยนแปลงความถี่ด้วยทั้งความเครียดและอุณหภูมิ ดังนั้นจึงรองรับการตรวจจับความเครียดและอุณหภูมิแบบกระจายในระยะทางไกล

เนื่องจากระบบสุ่มตัวอย่างไฟเบอร์ทั้งหมดแทนที่จะเป็นจุดคงที่ สายเคเบิลเส้นเดียวจึงสามารถส่งตำแหน่งการวัดต่อเนื่องอย่างมีประสิทธิภาพนับพันตำแหน่งในระยะทางหลายสิบกิโลเมตร ความครอบคลุมดังกล่าวเป็นเหตุผลที่การตรวจจับแบบกระจายเติบโตอย่างรวดเร็วสำหรับสินทรัพย์เชิงเส้นที่มีความยาว ซึ่งปัญหาอาจปรากฏขึ้นได้ทุกที่

การตรวจจับแบบจุดเทียบกับแบบเสมือน-แบบกระจายและแบบกระจาย

ทั้งสามครอบครัวตอบคำถามที่แตกต่างกัน การตรวจจับจุดถามว่า "เกิดอะไรขึ้นที่จุดเดียวนี้"; กึ่ง-กระจายถามว่า "เกิดอะไรขึ้นที่จุดที่ทราบเหล่านี้"; กระจายถามว่า "เกิดอะไรขึ้นที่ใดก็ได้ตามเส้นทางนี้" ตารางด้านล่างสรุปความแตกต่างในทางปฏิบัติ

การใช้งานทั่วไปของการตรวจจับด้วยไฟเบอร์ออปติก

• การตรวจสอบท่อและการตรวจจับการรั่วไหลเส้นใยที่วางตามแนวท่อน้ำมัน ก๊าซ หรือน้ำสามารถทำเครื่องหมายการรั่วไหลว่าเป็นความผิดปกติของอุณหภูมิในพื้นที่ (DTS) และตรวจจับการขุดหรือการรบกวนของบุคคลที่สาม-เป็นลายเซ็นการสั่นสะเทือน (DAS) - ซึ่งเป็นการวางเฟรมที่แม่นยำกว่าวลีหลวมๆ "น้ำมันและก๊าซ" ที่บางครั้งใช้สำหรับกรณีการใช้งานนี้
• การรักษาความปลอดภัยปริมณฑลและชายแดนการตรวจจับการสั่นสะเทือนแบบกระจายจะตรวจจับและจำแนกรอยเท้า ยานพาหนะ การปีน หรือการขุดตามแนวรั้วหรือเส้นทางที่ฝังไว้ ซึ่งเป็นพื้นฐานของการตรวจจับการบุกรุกของเส้นรอบวงไฟเบอร์ออปติก-.
• การตรวจสอบสายไฟและกริดDTS ติดตามอุณหภูมิของสายไฟฟ้าแรงสูง-เพื่อจัดการโหลดและระบุจุดร้อน สำหรับความเป็นมา โปรดดูภาพรวมของการตรวจสอบอุณหภูมิแบบกระจาย.
• การตรวจจับเพลิงไหม้ในอุโมงค์และอาคารการทำโปรไฟล์อุณหภูมิอย่างต่อเนื่องจะส่งสัญญาณเตือนที่มิเตอร์ที่แน่นอนเมื่อมีความร้อนเพิ่มขึ้น ก่อนที่เครื่องตรวจจับจุดเดียว-จะตอบสนอง
• การติดตามสุขภาพโครงสร้างFBG และการตรวจจับความเครียดแบบกระจายจะวัดโหลด การโก่งตัว และการแตกร้าวในสะพาน เขื่อน อุโมงค์ และโครงสร้างคอมโพสิตขนาดใหญ่ตลอดอายุการใช้งาน

• 

ข้อดีและข้อจำกัดของการตรวจจับด้วยไฟเบอร์ออปติก

เช่นเดียวกับเทคโนโลยีการวัดอื่นๆ การตรวจจับด้วยไฟเบอร์ออปติกมีความเหมาะสมอย่างยิ่งในบางสถานการณ์และอาจไม่ดีในบางสถานการณ์ การวางทั้งสองด้านไว้อย่างชัดเจนทำให้การเลือกง่ายขึ้น

มันเก่งตรงไหน:

• ป้องกันการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า เนื่องจากจุดตรวจจับเป็นกระจกพาสซีฟที่ไม่มีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อยู่ในสนาม
• ปลอดภัยในสภาพแวดล้อมที่มีการระเบิดหรือมีฤทธิ์กัดกร่อนซึ่งเซ็นเซอร์ไฟฟ้ามีความเสี่ยง
• สายเคเบิลหนึ่งเส้นสามารถแทนที่เซ็นเซอร์แยกหลายร้อยตัวและสายไฟได้ และสายดังกล่าวจะเพิ่มเป็นสองเท่าของเส้นทางข้อมูล
• ระบบแบบกระจายให้ความครอบคลุมตำแหน่งอย่างต่อเนื่อง ไม่ใช่แค่การอ่านแบบแยกส่วน

ในกรณีที่มีข้อจำกัด:

• อุปกรณ์สอบสวนเป็นชิ้นส่วนที่มีราคาแพง ดังนั้นงานจุดเดียว-สั้นๆ มักจะถูกกว่าเมื่อใช้เซ็นเซอร์ทั่วไป
• "ความแม่นยำสูง" เป็นไปตามเงื่อนไข สำหรับระบบแบบกระจาย ความละเอียดเชิงพื้นที่ ช่วงการตรวจจับ และอัตราการสุ่มตัวอย่างจะแลกเปลี่ยนกัน และ "แบบกระจาย" ไม่ได้หมายถึงความแม่นยำไม่จำกัด
• ความแม่นยำของตำแหน่งขึ้นอยู่กับวิธีการตรวจจับ วิธีวางสายเคเบิลและต่อเข้ากับโครงสร้าง อัตราการสุ่มตัวอย่าง เครื่องสอบสวน และอัลกอริธึมการวิเคราะห์
• การออกแบบ การติดตั้ง และการตีความต้องอาศัยความเชี่ยวชาญเฉพาะทาง

วิธีการเลือกวิธีการตรวจจับไฟเบอร์ออปติกที่เหมาะสม

เริ่มจากคำถามที่คุณต้องการคำตอบจริงๆ แล้วจับคู่กับวิธีการ:

• จุดวิกฤติหนึ่งจุด วัดได้อย่างแม่นยำ- เซ็นเซอร์แบบจุด เช่น FBG
• ตำแหน่งที่ทราบจำนวนหนึ่งบนโครงสร้าง- เสมือน-อาร์เรย์ FBG แบบกระจาย
• เส้นทางยาวไกลที่อาจเกิดปัญหาได้ทุกที่- ระบบแบบกระจาย: DTS สำหรับอุณหภูมิและไฟ, DAS/DVS สำหรับการสั่นสะเทือนและการบุกรุก, Brillouin สำหรับความเครียด

เมื่อวิธีการมีความชัดเจน ให้เปรียบเทียบพารามิเตอร์เฉพาะก่อนตัดสินใจซื้อ: ช่วงการตรวจจับที่ต้องการ ความละเอียดเชิงพื้นที่ ความถี่ในการวัด (อัตราการสุ่มตัวอย่าง) เส้นทางสายเคเบิลและวิธีการติดตั้งเข้ากับสินทรัพย์ และความเข้ากันได้ของผู้ซักถามกับไฟเบอร์และเซ็นเซอร์ที่คุณวางแผนจะปรับใช้