עקרון העבודה והיישום של חיישני סיבים אופטיים מבוזרים

חישת סיבים אופטיים מבוזרים לטכנולוגיה יש יישומים חשובים באפיון סיבים אופטיים, לוקליזציה של תקלות, וניטור של טמפרטורת הסביבה של סיבים אופטיים, לְהַדגִישׁ, ורטט. טכנולוגיית השתקפות תחום זמן אופטית, טכנולוגיית ניתוח תחום זמן אופטי, וטכנולוגיית ניתוח תדרים אופטיים הן מספר טכנולוגיות נפוצות בטכנולוגיית חישה סיבים אופטיים מבוזרת.

חיישני סיבים אופטיים מבוזרים היו בשימוש נרחב בתחומים כגון כוח, פטרוכימיקלים, הוֹבָלָה, הנדסה אזרחית, וחלל. עם זאת, עם הגדלת דרישות הבטיחות בייצור בתעשיות שונות, חיישני סיבים אופטיים מבוזרים בתפקוד יחיד אינם יכולים עוד לענות על הצרכים. על מנת לקבל הבנה מקיפה יותר של תנאי בטיחות הנדסיים, משתמשים צריכים לעתים קרובות לפקח בו זמנית על פרמטרים כגון טמפרטורה, רטט, ולהתאמץ בזמן אמת מכל הזוויות. בְּדֶרֶך כְּלַל, יש להצטייד לפחות בשני סטים שונים של חיישני סיבים אופטיים כדי לעמוד בדרישות.

כאשר סיב אופטי מושפע מגורמים חיצוניים כגון טמפרטורה, לְהַדגִישׁ, רטט, וכו., העוצמה, שָׁלָב, תֶדֶר, ופרמטרים נוספים של האור המועבר בסיב ישתנו בהתאם. על ידי זיהוי פרמטרים אלה של האור המועבר, ניתן להשיג כמויות פיזיות מתאימות. טכנולוגיה זו נקראת טכנולוגיית חישה סיבים אופטיים. המאפיינים של הסיבים האופטיים עצמם, כגון אי חשמול, התנגדות אלקטרומגנטית, עמידות לקרינה, עמידות במתח גבוה, אין יצירת ניצוצות, וביצועי בידוד טובים, להפוך את מערכת החישה בסיבים אופטיים למיינסטרים של מערכות חיישנים ולהחליף בהדרגה את מערכות החיישנים המסורתיות. כאשר הכמויות הפיזיות על הסיב האופטי, כגון לחץ, טֶמפֶּרָטוּרָה, לַחוּת, שדה חשמלי, שדה מגנטי, וכו., לְשַׁנוֹת, זה יגרום לשינויים במאפיינים הפיזיים של הסיב האופטי, וכתוצאה מכך השפעות אופטיות שונות של גלי האור המועברים בסיב האופטי, כגון פיזור, קיטוב, שינויים בעוצמה, וכו. על ידי זיהוי שינויים בגלי האור בסיבים אופטיים, כמויות פיזיות כגון טמפרטורה, לַחַץ, דֵפוֹרמַצִיָה, וניתן לזהות את מפלס המים. בשנים האחרונות, הפיתוח המהיר של מכשירים אופטו-אלקטרוניים, במיוחד לייזרים מוליכים למחצה, ריבוי חלוקת אורך גל וטכנולוגיית צימוד אופטי, איתור ועיבוד של אותות אופטואלקטרוניים, וטכנולוגיות אחרות, הפך את זה למציאות עבור סיבים אופטיים לשמש כמערכות חיישנים מבוזרות.

טכנולוגיית חישה סיבים אופטיים מבוזרים נמצאת בשימוש נרחב לניטור מצבם של מצעים גדולים כגון מבנים, גשרים, ושיפועים בשל יתרונותיו של מדידה מבוזרת, מרחק מדידה ארוך, אנטי הפרעות אלקטרומגנטיות, וחוזק בידוד גבוה. זה מיושם גם בתחום הנדסת החשמל למדידת טמפרטורה ומתח של ציוד חשמלי כגון כבלים תת ימיים וקווי תמסורת עיליים, ויש לו סיכוי יישום רחב מאוד. נכון לעכשיו, ישנם מעט דיווחים על זיהוי טמפרטורת פיתול שנאי ומתח המבוסס על טכנולוגיית חישה מבוזרת של סיבים אופטיים.
לחיישני סיבים אופטיים יתרונות רבים כמו עמידות חזקה בפני הפרעות אלקטרומגנטיות, רגישות גבוהה, בידוד חשמלי טוב, בטיחות ואמינות, עמידות בפני קורוזיה, והיכולת ליצור רשתות חישה בסיבים אופטיים. לכן, יש להם סיכויי יישום רחבים בתחומים שונים כגון תעשייה, חַקלָאוּת, ביו-רפואה, וההגנה הלאומית.
בשנים האחרונות, מנתח תחום הזמן האופטי של Brillouin, כנציג טיפוסי של טכנולוגיית חישה סיבים אופטיים מבוזרת, זכה לתשומת לב רחבה. בהשוואה לחיישני סיבים אופטיים אחרים, לנתח תחום הזמן האופטי של Brillouin יש יתרונות כמו רזולוציה מרחבית גבוהה, חישה למרחקים ארוכים במיוחד, ומדידה דינמית. זה יכול למדוד בו-זמנית כמויות פיזיות כמו טמפרטורה ומתח מיקרו בדיוק גבוה. בשל העובדה שסיבים אופטיים משמשים גם כרכיבי חיישן וגם כערוצי העברת אותות, שימוש באותות אופטיים כאותות שידור יכול להפחית ביעילות את העלויות המבניות.

טכנולוגיית חישת סיבים אופטיים מבוזרת נמצאת בשימוש נרחב בטכנולוגיית ניטור דליפת צינורות בשל טווח מרחב החישה הרחב שלה, אותו סיב לחישה ולשידור, מבנה פשוט, שימוש נוח, עלות נמוכה של רכישת אות ליחידת אורך, וחסכוניות גבוהה.

חיישנים מסורתיים הם בעיקר מסוג חשמלי, עם טווח מדידה קטן וחיבור רשת קשה. יֶתֶר עַל כֵּן, לחיישנים נקודתיים יש עלויות תחזוקה גבוהות בעת מדידת טווחים גדולים ומרחקים ארוכים. לעומת זאת, החיישנים של חיישני סיבים אופטיים הם סיבים אופטיים, בעל מבנה יציב, עמידות בפני הפרעות אלקטרומגנטיות, עמידות בפני קורוזיה, גודל קטן, ובעלות נמוכה. בנוסף, הכיסוי של סיבים אופטיים רחב, והוא יכול למדוד מערכות עם טווח רחב ופיזור מרחבי. לכן, מאז סוף שנות ה-70, חישת סיבים אופטיים מבוזרים פותחה באופן נרחב, עם הופעתה של טכנולוגיית השתקפות תחום זמן אופטי (OTDR), טכנולוגיית השתקפות תחום זמן אופטי של Raman (ROTDR), טכנולוגיית השתקפות תחום זמן אופטי של Brillouin (BOTDR), וטכנולוגיית השתקפות של תחום זמן אופטי רגיש לשלב (Φ- OTDR, וכו. נכון לעכשיו, השתקפות אופטית של תחום הזמן של ראמאן (ROTDR) הטכנולוגיה המבוססת על מדידת טמפרטורה היא בוגרת יחסית. ביניהם, השתקפות אופטית של תחום הזמן של ראמאן (ROTDR) הטכנולוגיה מזריקה אור פועם לתוך הסיב, והשפעת הטמפרטורה של ספקטרום פיזור ראמאן לאחור נוצרת במהלך התפשטות האור בסיב. כאשר קוונטי האור הנכנס מתנגש עם מולקולות החומר בסיב, מתרחשות התנגשויות אלסטיות ובלתי אלסטיות. כאשר מתרחשת התנגשות אלסטית, אין חילופי אנרגיה בין קוונט האור לבין מולקולות החומר, ותדירות קוונט האור אינה משתנה בשום אופן, וכתוצאה מכך ריילי מפזר אור שומר על אותו אורך גל כמו האור הנובע; בהתנגשויות לא אלסטיות, מתרחש חילופי אנרגיה, וקוואנטה קלה יכולה לשחרר או לספוג פונונים, התוצאה היא יצירת אור סטוקס באורך גל ארוך יותר ואור אנטי סטוקס באורך גל קצר יותר. בשל הרגישות של אור אנטי סטוקס לטמפרטורה, המערכת משתמשת בערוץ האופטי של סטוקס כערוץ ההתייחסות ובערוץ האופטי האנטי סטוקס כערוץ האות. היחס בין השניים יכול לחסל גורמים שאינם טמפרטורה כגון תנודות אות מקור האור וכיפוף סיבים, השגת איסוף מידע על טמפרטורה.

FJINNO מספק מערכות מדידת טמפרטורת סיבים אופטיים מבוזרות, אשר נמכרים ישירות על ידי יצרנים ויכולים להיות בשימוש נרחב בגלריות צינורות מקיפות, תעלות כבלים, צינורות נפט וגז, תחנות משנה, וכו.

חיישן טמפרטורה בסיב אופטי, מערכת ניטור חכמה, יצרנית סיבים אופטיים מבוזרת בסין