Pomiar temperatury realizowany jest m. in. w oparciu o zjawisko wstecznego rozpraszania Brillouina. Włókno pełni funkcję rozproszonego czujnika światłowodowego, umożliwiając pomiar temperatury wzdłuż całej jego długości.
Kiedy impuls świetlny (promień laserowy) propaguje się przez włókno światłowodowe, niewielka jego część ulega rozproszeniu wstecznemu. W przypadku rozpraszania Brillouina, oddziaływanie światła z falami akustycznymi (fononami) w materiale włókna prowadzi do powstania rozproszonego światła o nieco zmienionej częstotliwości. To przesunięcie częstotliwości, zwane przesunięciem częstotliwości Brillouina, jest wrażliwe zarówno na temperaturę, jak i na naprężenie mechaniczne włókna.
Kluczowe aspekty działania to:
• Wysyłanie impulsu światła: Do włókna optycznego wysyłany jest krótki impuls światła laserowego.
• Rozpraszanie Brillouina: Gdy światło propaguje się przez włókno, w każdym punkcie następuje rozpraszanie Brillouina. Powstają fale rozproszone wstecznie (tzw. Stokesa i anty-Stokesa), których częstotliwość jest przesunięta względem częstotliwości światła padającego.
• Zależność od temperatury: Przesunięcie częstotliwości Brillouina zmienia się liniowo wraz z temperaturą włókna. Oznacza to, że im wyższa temperatura, tym większe jest przesunięcie częstotliwości.
• Zależność od naprężenia: Podobnie, częstotliwość Brillouina jest również wrażliwe na naprężenie włókna. Aby odróżnić wpływ temperatury od naprężenia, często stosuje się techniki, które pozwalają na jednoczesny pomiar obu parametrów, lub wykorzystuje się włókna o specjalnej konstrukcji, w których wpływ jednego z tych czynników jest zminimalizowany lub łatwo kompensowany.
• Lokalizacja: Dzięki zastosowaniu zasad reflektometrii czasowej (OTDR – Optical Time-Domain Reflectometry), czas powrotu rozproszonego światła pozwala na precyzyjne określenie miejsca, z którego pochodzi rozproszone światło. To umożliwia rozłożony pomiar temperatury, czyli uzyskanie profilu temperatury wzdłuż całej długości włókna.
Cechą charakterystyczną rozproszenia Brillouina jest przesunięcie częstotliwości rozproszonego światła proporcjonalnie do zmiany gęstości włókna. Zmiana gęstości z kolei wynika ze zmian temperatury włókna, jak i odkształcenia włókna, która jest następstwem jego naprężenia.
W ramach projektu PIONIER-Lab został zakupiony miernik FibrisTerre 5020.
System wykorzystuje standardowe przemysłowe światłowody jako ciągłe, dalekosiężne czujniki naprężeń i temperatury.
FibrisTerre 5020 zmierzy charakterystyczne przesunięcie częstotliwości Brillouina w każdej pozycji wzdłuż włókna. Przesunięcie częstotliwości Brillouina zmienia się zarówno pod wpływem temperatury, jak i odkształcenia – liniowo w szerokim zakresie.
Zależności te można sprowadzić do prostych równań liniowych:
Jak widać przesunięcie częstotliwości Brillouina związane jest zarówno ze zmianą temperatury jak i wpływających na włókno naprężeń mechanicznych.
Konieczne jest „wyizolowanie” wpływu ɛ (naprężenia) na włókno odpowiadające za pomiar T.
Pytanie brzmi: jeśli zarówno temperatura, jak i odkształcenie mają wpływ na mierzoną wielkość – przesunięcie częstotliwości Brillouina – w jaki sposób system monitorujący może rozróżnić, który z nich się zmienił?
Taka sytuacja ma miejsce w następujących typowych scenariuszach.
Zarówno odkształcenie, jak i temperatura muszą być rejestrowane jednocześnie w tej samej strukturze. Interesujący jest tylko pomiar odkształcenia lub temperatury, ale inna wielkość fizyczna może wykazywać wpływ krzyżowy – i musi zostać skompensowana (w większości przypadków będzie to żądanie pomiaru odkształcenia z kompensacją temperatury).
Jednym z rozwiązań, które okazało się praktycznie wykonalne to użycie dwóch światłowodowych włókien czujnikowych równolegle wbudowanych w jedną konstrukcję kabla.
Teoretycznie idealnym rozwiązaniem byłoby zastosowanie nieizolowanego włókna, ale wówczas poziom zabezpieczenia przed uszkodzeniem jest oczywiście niewystarczający. Potrzebny jest kompromis między ochroną włókna, a zachowaniem jego zdolności wykrywania odkształceń. Aby przełożyć zewnętrzne naprężenia na włókno trzeba zastosować konstrukcje o jak najmniejszym efekcie poślizgu pomiędzy poszczególnymi warstwami wewnętrznymi kabla.
Ważne jest, aby pamiętać również o odpowiednim zróżnicowaniu źródła zmiany charakterystyki rozpraszania Brillouina. Jak wspomniane zostało wcześniej – może to być jednocześnie zmiana temperatury jak i naprężenie światłowodu.
Do jednoznacznego wyodrębnienia obserwacji naprężenia w konstrukcji kabla, zastosowane powinno być drugie włókno w jak najmniejszym stopniu zależne od odkształceń i sił mechanicznych działających na kabel, a co za tym idzie mogące kompensować zmiany temperatury.
Wspomnianą kompensację temperatury zapewnia włókno umieszczone w luźnej tubie. Ważne jest by zagwarantować niski współczynnik tarcia na styku z kolejną warstwą konstrukcji kabla. Drugie włókno tymczasem pełni funkcję mierzenia odkształceń, aby najlepiej przenosić je na włókno – otaczająca go konstrukcja ma postać ścisłej tuby.
Rys. Propozycja budowy kabla sensorycznego z wykorzystaniem włókna w tubie ścisłej i w tubie luźnej.
Tak wyizolowany układ pomiarowy sugeruje również producent miernika DST.
Piotr Turowicz