知識

光ファイバーセンシングは、通常の光ファイバーを長く連続したセンサーに変えます。ファイバーはデータを伝送するだけでなく、温度、ひずみ、圧力、または振動がケーブルに作用すると特性が変化する光を伝送します。これらの変化を読み取​​ることで、感知システムは何が起こっているかを報告できます -、そして通常は正確にどこそれは数メートルから数十キロメートルの距離で-起こっています。このガイドでは、テクノロジーがどのように機能するかを段階的に説明し、3 つの主要なタイプとその違い、それぞれがどこに当てはまるか、計画に値する制限について説明します。

光ファイバーセンシング技術とは何ですか?

光ファイバーセンシングは、光ファイバー自体をセンシング素子として使用する測定方法です。光源は光をファイバーに発射します。光が進むにつれて、外部条件によってその強度、波長、位相、偏光、またはガラス内での散乱の仕方がわずかに変化します。ファイバーの端にある機器がこれらの変化を読み取​​り、温度、ひずみ、振動などの物理的測定値に変換します。

センシング ポイントはガラスでできており、電流が流れないため、光ファイバ センシングは電磁干渉の影響を受けず、爆発性または化学的に攻撃的な環境でも安全に導入できます。-電気センサーが困難なパイプライン、電力システム、トンネル、橋などで重要な品質です。同じファイバーがセンサーと信号経路の両方として機能するため、フィールド ハードウェアがシンプルになります。通常、ファイバーは標準ですシングルモード光ファイバー-ひずみシステム、音響システム、ブリルアン システムの場合は温度のみですが、ラマン システムはマルチモード ファイバで動作することがよくあります。{0}}

光ファイバーセンシング技術はどのように機能しますか?

すべての光ファイバーセンシングシステムは、光を送り込み、環境に光を変化させ、戻ってきた光を読み取り、その変化を測定値に変換するという同じ連鎖に従います。各段階で何が起こるかは次のとおりです。

1. 光はファイバーを通って伝わる

レーザーまたは広帯域光源は、光 - を通常は一連の短いパルス - としてファイバー コア内に発射し、そこでの全反射により光はケーブルの長さに沿って導かれ続けます。感知システムでは、この光がプローブであり、その途中で光に影響を与えるものはすべて情報となります。

2. 環境が光を変える

温度、ひずみ、圧力、または振動がファイバーの一部に作用すると、ガラスの長さ、屈折率、または内部構造の間隔がわずかに変化します-。これらの小さな物理的変化により、光の 1 つ以上の特性、つまり波長、強度、位相、偏光、または後方散乱部分のスペクトルが変化します。シフトの大きさは外部効果の強さに比例するため、校正された測定が可能になります。

3. 光が反射または散乱する

光の一部は光源に向かって戻ります。一部のセンサーでは、ファイバー ブラッグ グレーティングなど、ファイバーに書き込まれた意図的な構造によって反射されます。分散システムでは、コンポーネントを追加することなく、ガラス自体が弱い光の流れをファイバー全体に沿って散乱させます。いずれにせよ、戻ってくる光には、ファイバーに作用したものの痕跡が残ります。

4. インタロゲータが信号を読み取って位置を特定する

質問器 (または復調器) と呼ばれる機器が戻り光を測定します。分散システムの場合は、光が戻ってくるまでにかかる時間を測定します。-これは、光学式時間領域反射計 (OTDR) と同じ考え方です-。ファイバー内の光の速度は既知であるため、往復時間によってケーブル上の各変化の位置が正確に特定されます。-次に、インテロゲータは光学的変化を、位置が付加された温度、ひずみ、または振動の校正された読み取り値に変換します。

光が入り、環境がその光に痕跡を残し、光が戻ってきて、質問者は変化 - とそれが起こった場所 - を測定値に変換します。

光ファイバーセンシング技術の主な種類

光ファイバーセンシングは通常、ファイバーに沿って測定できるポイントの数とセンシングがどのように行われるかに基づいて 3 つのファミリーにグループ化されます。

ポイント光ファイバーセンシング

ポイントセンサーは単一の場所を測定します。専用の感知素子は 1 つのパラメータ - の温度、圧力、加速度、たとえば - に応答し、設計はシンプルで比較的低コストです。

最も一般的な例は、ファイバーブラッググレーティング (FBG)。グレーティングは、ファイバー コアの屈折率の周期的な変化であり、コアを強力な紫外線干渉パターンにさらすことによって作成されます。回折格子は 1 つの特定の波長 -、ブラッグ波長 - を反射し、残りの波長を通過させます。ひずみによって回折格子が伸びたり、熱によって回折格子が膨張したりすると、間隔が変化し、反射波長がシフトします。インテロゲータはそのシフトを読み取り、値に変換します。 1550 nm の波長付近では、典型的な FBG の反射波長は、伸長のマイクロストレインあたり 1 ピコメートル、加熱 1 度あたり数ピコメートルのオーダーで移動します。研究および航空宇宙プログラムでは、この二重の感受性が詳細に特徴付けられています。NASAによる組み込みFBGひずみセンサーの評価高温で。その他のポイント センサーには、レーザー ジャイロスコープやレーザー ジャイロスコープなどがあります。光ファイバー-磁場センサー特殊な測定に。

準-分散型光ファイバーセンシング

準-分散システムは、1 本のファイバー - に沿っていくつかのポイント センサーを直列に接続します。たとえば、一連の FBG は、それぞれわずかに異なる波長を反射するため、質問器はそれらを区別できます。 1 つのファイバーは、多くの個別の場所の温度、振動、圧力、またはひずみを一度に報告できます。 -このトレードオフは物理学に組み込まれています。単一のファイバー上のセンサーの数は、光源の帯域幅と各回折格子が占有できる波長ウィンドウによって制限され、ファイバーは要素間のギャップでは何も感知しません。関連するファイバー グレーティングのアプローチ-:長周期格子検知システム-、同様の原理に従い、スペクトルの挙動が異なります。

分散型光ファイバーセンシング

分散システムは、離散的なセンシング ポイントをまったく持たずに、ベア ファイバーを連続センサーとして使用します。ガラス内で自然に散乱する光を利用し、その散乱光が全長に沿ってどのように変化するかを読み取ります。三つ光-散乱メカニズムが使用され、それぞれが異なるパラメータに適しています。

• レイリー散乱これは、光の周波数を変化させない弾性プロセスです。これは 3 つの中で最も強力であり、分散音響振動センシング（DAS/DVS）の基礎であり、高速なシングルショット測定により音や振動などの動的ひずみを追跡します。-
• ラマン散乱強度が温度に依存する光を生成するため、分散温度センシング (DTS) の基礎となります。
• ブリルアン散乱ひずみと温度の両方によって周波数が変化するため、長距離にわたる分散したひずみと温度の検出をサポートします。

システムは固定点ではなくファイバー全体をサンプリングするため、1 本のケーブルで数十キロメートルにわたる数千の効果的な連続測定位置を送信できます。このカバー範囲こそが、問題がどこにでも発生する可能性がある長くて直線的な資産に対して分散センシングが急速に成長した理由です。

点と準-分散型光ファイバ センシングと分散型光ファイバ センシング

3 つの家族はさまざまな質問に答えます。ポイントセンシングは、「この 1 つのスポットで何が起こっているのか?」を問います。準-分布は「これらの既知のスポットで何が起こっているのか?」と尋ねます。配布された質問は、「このルートのどこかで何が起こっていますか?」以下の表は、実際の違いをまとめたものです。

光ファイバーセンシングの一般的な用途

• パイプラインの監視と漏れ検出。石油、ガス、または水道のパイプラインに沿って敷設されたファイバーは、漏洩を局所温度異常 (DTS) としてフラグを立て、掘削や第三者による干渉を振動シグネチャ (DAS) として検出できます。{{0}{1}} これは、このユースケースで時々使用される「石油とガス」という大雑把な表現よりも正確な枠組みです。
• 境界および国境のセキュリティ。分散型振動センシングは、フェンスラインや埋設ルートに沿った足音、車両、登る、または掘削を検出して分類します。光ファイバーによる境界侵入検知.
• 電力ケーブルと送電網の監視。DTS は高電圧ケーブルの温度を追跡して、負荷を管理し、ホットスポットを特定します。{0}背景については、この概要を参照してください分散型温度監視.
• トンネルや建物の火災検知。継続的な温度プロファイリングにより、単一点検出器が反応するずっと前に、熱が上昇する正確なメーターでアラームが発生します。{0}}
• 構造的な健全性のモニタリング。FBG と分散型ひずみセンシングは、橋、ダム、トンネル、大型複合構造物の耐用年数にわたる荷重、たわみ、亀裂を測定します。

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光ファイバーセンシングの利点と限界

他の測定技術と同様に、光ファイバー センシングは状況によっては最適ですが、状況によっては適さないこともあります。両面をすっきりと出すと選びやすくなります。

優れている点:

• 感知点は受動的ガラスであり、現場に電子機器が存在しないため、電磁干渉の影響を受けません。
• 電気センサーが危険な爆発性または腐食性の環境でも安全です。
• 1 本のケーブルで数百の個別センサーとその配線を置き換えることができ、データ パスとしても機能します。
• 分散システムは、単独の測定値だけでなく、位置情報を継続的にカバーします。

限界がある場合:

• インテロゲータは高価な部分であるため、短い単一ポイントのジョブは従来のセンサーを使用した方が安価であることがよくあります。{0}}
• 「高精度」は条件付きです。分散システムの場合、空間解像度、センシング範囲、サンプリング レートは相互にトレードオフになり、「分散」は無制限の精度を意味するわけではありません。
• 測位精度は、センシング方法、ケーブルの配線方法と構造物への接続方法、サンプリング レート、インタロゲータ、および分析アルゴリズムによって異なります。
• 設計、設置、解釈には専門知識が必要です。

適切な光ファイバーセンシング方法を選択する方法

実際に回答する必要がある質問から始めて、それをメソッドと照合します。

• 正確に測定された 1 つの重要なポイント- FBG などのポイント センサー。
• 構造物上のいくつかの既知の場所- は疑似分散 FBG アレイです。{{1}
• どこにでもトラブルが発生する可能性がある長い道のり- 分散システム: 温度と火災には DTS、振動と侵入には DAS/DVS、ひずみにはブリルアン。

Once the method is clear, compare specific parameters before you buy: required sensing range, spatial resolution, measurement frequency (sampling rate), the cable route and how it will be fixed to the asset, and interrogator compatibility with the fiber and sensors you plan to deploy.