Światłowody, znane głównie z zastosowań w telekomunikacji, odgrywają również istotną rolę jako precyzyjne czujniki w różnych dziedzinach nauki i przemysłu. Dzięki swoim unikalnym właściwościom, takim jak odporność na zakłócenia elektromagnetyczne, niewielkie rozmiary oraz możliwość pracy w trudnych warunkach, znajdują zastosowanie w pomiarach fizycznych, chemicznych i biologicznych.
Zasada działania
Światłowody jako czujniki wykorzystują zjawisko zmiany propagacji światła w ich wnętrzu, które mogą być spowodowane różnymi czynnikami zewnętrznymi, takimi jak:
- zmiany natężenia światła, np. w wyniku zginania światłowodu lub pochłaniania światła przez substancje,
- zmiany fazy lub częstotliwości, wykorzystanie interferometrii do pomiarów dokładnych zmian parametrów środowiska,
- zmiany polaryzacji, czułość na naprężenia mechaniczne,
- rozpraszanie światła, zjawiska takie jak Rayleigha, Brillouina czy Ramana, umożliwiają monitorowanie zjawisk akustycznych, temperatury czy naprężeń.
Rodzaje czujników światłowodowych
Czujniki punktowe mierzą parametry w konkretnym miejscu, np. czujniki naprężeń, temperatury lub ciśnienia. Popularnie wykorzystuje się czujniki zbudowane w oparciu o siatki Bragga. Elementy czujnikowe np. w pomiarach naprężeń mogą mieć złącza światłowodowe po obu stronach i mogą być używane samodzielnie lub szeregowo. Odczyt następuje poprzez urządzenie aktywne (interrogator), które może być oddalone nawet o kilka kilometrów. Czujniki te pozwalają na ciągłe monitorowanie stanu struktur, pęknięć i szczelin (np. w ścianach) – monitorowanie mostów, zapór, budynków, tuneli. Monitoringiem takim można również objąć np. statki, pociągi, konstrukcje skrzydeł samolotów i inne skomplikowane struktury.
Czujniki rozłożone (DAS – Distributed Acoustic Sensor, DTS – Distributed Temperature Sensor) umożliwiają pomiary wzdłuż całej długości światłowodu; stosowane są w monitorowaniu infrastruktury takiej jak rurociągi, trakcje kolejowe czy linie energetyczne. Zaletą tych czujników jest duży obszar działania, nawet do 100 km.
Pomiary DAS znajdują zastosowanie w monitoringu i zabezpieczeniu kanalizacji teletechnicznej, dużych powierzeni terenu czy ochrony obwodowej. Pozwalają na detekcję z dużą precyzją, informują użytkownika o odległości, w której zdarzenie miało miejsce i typie alarmu wywołanego w danym miejscu instalacji na przykład kopanie w ziemi, bieg czy przejście po ziemi nad zakopanym kablem (detekcja w poprzek lub wzdłuż światłowodu), wspinanie się po ogrodzeniu itp. Można określić również kierunek przemieszczania się obiektów i ich prędkość. Jeżeli w otoczeniu światłowodu poruszają się pojazdy mechaniczne, to analizując amplitudę zmian można wykryć ich rodzaje – ciężki czy lżejszy pojazd. Do detekcji tego typu „zjawisk” idealnie nadają się algorytmy uczenia maszynowego czy sztucznej inteligencji.
Czujniki wielofunkcyjne pozwalają na jednoczesne pomiary różnych parametrów, np. temperatury i wibracji.
Zastosowania czujników światłowodowych:
- PRZEMYSŁ: monitorowanie stanu technicznego budynków, mostów, tuneli, trakcji kolejowych, rurociągów, wież wiatrowych,
- ENERGETYKA: kontrola temperatury w transformatorach i liniach energetycznych, detekcja awarii kabli,
- MEDYCYNA: czujniki ciśnienia w mikrochirurgii, monitorowanie parametrów biochemicznych,
- GEOFIZYKA: monitorowanie ruchów sejsmicznych i osuwisk, badania geologiczne
i geoakustyczne, - BEZPIECZEŃSTWO: detekcja intruzów poprzez analizę wibracji w światłowodach zainstalowanych wzdłuż ogrodzeń czy kabli światłowodowych zakopanych w ziemi, ułożonych na dnie akwenów czy też zawieszonych nad danym obszarem.
Zalety czujników światłowodowych
- wysoka precyzja pomiarów,
- możliwość pracy w ekstremalnych warunkach (wysoka temperatura, wilgotność, wysokie natężenia pola elektromagnetyczne),
- niewielka waga i kompaktowe rozmiary,
- brak konieczności dostarczania prądu wzdłuż linii światłowodowej,
- możliwość wykorzystania standardowego włókna światłowodowego.
Wyzwania
Pomimo licznych zalet, zastosowanie światłowodów, jako czujników wiąże się z wyzwaniami, takimi jak wysoki koszt instalacji i kalibracji. Konieczny jest zakup zaawansowanego sprzętu (interrogator) oraz wyposażenie systemu w duże magazyny danych, umożliwiając jednocześnie przetwarzanie ich dużych ilości. Kluczową kwestią jest również zaawansowana analiza sygnałów i prawidłowa detekcja zaobserwowanych anomalii. Jednak rozwój technologii światłowodowych i spadek kosztów produkcji sprawiają, że są one coraz powszechniejsze w różnych dziedzinach. Niewątpliwie dużą zaletą pomiarów typu DAS jest zastosowanie standardowego włókna jednomodowego. Istnieją też specjalne konstrukcje kabli światłowodowych, które lepiej przenoszą odkształcenia otoczenia bezpośrednio na światłowód. Ponadto metoda pomiarowa DAS, DTS nie wymaga specjalnych zakończeń ani pośrednich punktów regeneracji czy wzmacniania sygnału. Światłowody, jako czujniki, stanowią przykład nowoczesnych technologii o szerokim spektrum zastosowań w monitorowaniu i diagnostyce różnorodnych systemów i różnych środowiskach.
Piotr Turowicz