Nejnavštěvovanější odborný web
pro stavebnictví a technická zařízení budov

Optovláknové senzory a možnosti jejich využití

Ing. Radim Šifta, Ph.D., NETWORK GROUP, s.r.o.

Recenzovaný

Článek popisuje speciální typy senzorů, které pro měření různých neelektrických veličin využívají optická vlákna. V úvodu článku je popsán princip přenosu šíření světla optickým vláknem a jejich aplikace v dnešní době. Další část je zaměřena na opto-vláknové senzory a jejich rozdělení. Zvláštní pozornost je věnována distribuovaným senzorickým systémům a jejich aplikaci v praxi.

1. Úvod

Pro správné pochopení činnosti optických senzorů nejprve popíšeme princip přenosu optického signálu vláknem. Optické vlákno je dielektrické přenosové médium tvořené skleněným vláknem. Toto prostřednictvím světla přenáší optický signál (světlo) ve směru své podélné osy. Optické vlákno je tvořeno jádrem, s opticky hustším prostředím, a pláštěm, s opticky řidším prostředím. Jádro i plášť jsou vyráběny zejména z oxidu křemíku SiO₂, který má index lomu přibližně 1,45 (bezrozměrná veličina). V průběhu výroby vlákna je díky dopantům dosaženo nepatrně vyššího indexu lomu jádra.

Obr. 1: Princip přenosu optického signálu v optickém vlákně

Obr. 1 znázorňuje rozhraní dvou prostředí s různými indexy lomu n₁ a n₂. Světelný paprsek z prostředí 1 dopadá na rozhraní prostředí 1 a prostředí 2. Úhel dopadu je úhel mezi dopadajícím paprskem a normálou k rozhraní mezi dvěma prostředími a označuje se θ₁. Část energie se odrazí do prostředí 1 a zbývající část energie prochází do prostředí 2 jako lomený paprsek. Úhel odrazu θ_1𝑟 je úhel mezi odraženým paprskem a normálou rozhraní dvou prostředí. Vztah mezi úhlem lomu a dopadu je dán Shnellovým zákonem [1]:

(1)

Pokud se úhel dopadu θ₁ zvětší, zvětší se také úhel lomu θ₂. Pokud bude platit, že n₁ < n₂, nastane při postupném zvyšování úhlu dopadu situace, kdy bude platit, že úhel lomu θ₂ bude 𝜋/2 radiánu. Pro větší hodnoty úhlu dopadu již nevzniká žádný úhel lomu a veškerá energie z dopadajícího paprsku se odráží. Tento jev se nazývá totální odraz. Maximální úhel, pod kterým mohou paprsky do optického vlákna vstoupit a šířit se v něm, určuje numerická apertura NA definovaná vztahem [2]:

(2)

Aby se optický signál mohl šířit na rozhraní jádra a pláště, musí být index lomu jádra vyšší než pláště. Tzv. optické vidy se pak šíří na základě totálního odrazu, který vzniká právě na rozhraní jádra a pláště.

Obr. 2: Základní typy optických vláken

Optická vlákna se obecně dělí na jednovidová, kde se signál šíří prostřednictvím jednoho vidu, a vlákna vícevidová, kde se signál šíří prostřednictvím až tísíci vidů. Vícevidová vlákna se vyznačují velkým vložným útlumem (2,5–5 dB), velkou disperzí a malou šířkou pásma (do 600 MHz). Průměr jádra je 50 µm, průměr pláště 125 µm. Tato vlákna pracují v oblasti vlnových délek 850 nm a 1300 nm. V dnešní době nachází uplatnění v propojování síťových prvků v rámci blízkých objektů, v nenáročných průmyslových aplikacích nebo pro senzorické účely, zejména měření teploty. Oproti tomu jednovidová vlákna dosahují řádově nižšího útlumu (0,2 dB/km @ 1550 nm) a šířky pásma až několik desítek THz. Průměr jádra je 9 µm a pláště 125 µm. Provozují se v pásmech vlnových délek od 1310 nm až do 1625 nm [2].

Optické vlákno je velice významné komunikační médium v porovnání s ostatními typy přenosových médií, jako např. metalické páry, rádiové systémy nebo bezvláknová optika (FSO – Free Space Optic). Optická vlákna jsou v dnešní době využívána zejména v telekomunikačních systémech díky velké šířce přenosového pásma (až desítky Tbit/s). Nacházejí uplatnění v páteřních, transportních i přístupových sítích. Kromě přenosu digitálních a analogových signálů je možné s výhodou použít optické vlákno pro měření celé řady neelektrických veličin, tzn. jako senzor. Dále se optická vlákna využívají ke speciálním účelům, jako například pro přenos přesné frekvence a času, mezi významnými metrologickými institucemi po celém světe. Díky pokročilým technologickým možnostem vznikají i tzv. hybridní sítě, které dokáží využívat optické vlákno pro telekomunikační účely i k senzorickým aplikacím současně.

2. Optovláknové senzorické systémy

Vývoj optovláknových senzorů nastal díky dvěma významným objevům v 60. a 70. letech minulého století, a to zejména vynálezu laseru a následně i vývoji optických vláken. Z počátku to vypadalo, že zájem o optovláknové senzory bude velký, nicméně v té době neměly šanci prorazit kvůli podstatně levnějším elektro-mechanickým senzorům. Problém byl také velice konzervativní přístup k měřicí technice a pomalý technologický vývoj optických technologií. Renesance optovláknových senzorických systémů nastala přibližně před 20 lety díky rapidně klesající ceně optických a optoelektronických komponent pro telekomunikační účely, které se ve velké většině používají i pro senzorické systémy.

Optovláknové senzorické systémy různých typů v dnešní době nabývají stále většího významu, neboť mají celou řadu výhod v porovnání s konvenčními měřicími systémy. Tyto výhody plynou zejména z principu optických vláken – optické vlákno je dielektrikum, tudíž senzory na bázi optických vláken jsou zcela imunní vůči elektromagnetickému záření a galvanicky oddělují senzor od vyhodnocovací elektroniky (přijímač a vysílač v telekomunikacích). Rovněž je velice obtížné je odposlouchávat, což je významné zejména v telekomunikacích. Díky nízkému útlumu je možné senzor umístit několik jednotek až desítek kilometrů daleko od vyhodnocovací jednotky, v závislosti na dynamickém rozsahu vyhodnocovací elektroniky. Senzory je možné navíc multiplexovat a přepínat a pomocí jedné vyhodnocovací jednotky obsluhovat až několik stovek senzorů, což výrazně snižuje cenu na jeden měřicí bod, neboť právě cena vyhodnocovacích jednotek je poměrně vysoká.

Pomocí optovláknových senzorů je možné měřit zejména [3]:

teplotu, gradient teploty,
mechanické napětí – komprese, protažení,
deformace, posunutí – tzv. displacement,
tlak kapalin a plynů,
podtlak – vakuové aplikace,
vibrace,
rotace, náklon,
zrychlení,
vlhkost,
viskozitu,
senzory pH.

Díky široké škále měřených veličin naleznou optovláknové senzory celou řadu aplikací. Vždy je však zásadní, aby byly použity tam, kde není možné tyto veličiny měřit konvenčním způsobem, jinak je prakticky není možné z důvodu výrazně vyšší ceny prosadit. Nejčastěji naleznou uplatnění v oblastech [4]:

pokročilé průmyslové aplikace (měření teploty, mechanického napětí),
zabezpečení kritických infrastruktur – SHM (Structure Health Monitoring),
dopravní infrastruktura (systémy Weightin – In – Motion),
železniční infrastruktura (monitoring vlaků),
energetika (jaderné elektrárny, rozvodné sítě VVN),
produktovody (ropa, plyn),
stavební a geo aplikace (mostní konstrukce, budovy, skalní útvary),
vodní díla (monitorování hrází přehrad),
avionika, aerospace a další,
ochrana a zabezpečení perimetru aj.

3. Rozdělení optických senzorů

Optovláknové senzory je možné rozdělit z mnoha hledisek. Jako základní rozdělení lze považovat to, zda senzory využívají optické vlákno k přenosu informace. To znamená, že změřená hodnota dané veličiny je přenášena po optickém vlákně do vyhodnocovací jednotky, kde je informace zpracována. Tento typ senzorů označujeme jako extrinsické. Pokud je optické vlákno využito pouze jako detektor a změřená hodnota je přenášena po jiném médiu, pak je tento typ senzorů označovaný jako instrinsický [2].

Dále je možné dělit senzory dle působení fyzikální veličiny na senzor prostřednictvím změn:

indexu lomu optického vlákna,
absorpce,
emise případně fluorescence.

Dle modulace optického signálu:

amplitudové,
fázové,
polarizační,
s modulací vlnové délky,
s modulací časového rozšíření impulzu.

Nejdůležitější dělení optovláknových senzorů je dle prostorového uspořádání:

bodové senzory,
distribuované senzory,
semi-distribuované senzory.

3.1 Distribuované senzorické systémy

Distribuované senzorické systémy měří veličinu v celé svojí délce optického vlákna. Uplatnění tak naleznou tam, kde je třeba kontinuálně měřit teplotu nebo akustické vibrace podél vlákna. Obecně se u těchto typů senzorů vyhodnocuje zpětný rozptyl. Zatímco se nosný optický signál šíří od zdroje záření k detektoru, část záření se vrací zpět formou rozptylu, který vzniká na nehomogenitách vlákna. Rozlišujeme při tom tři základní rozptyly – Rayleighův, Brillouinův a Ramanův. Zatím co Rayleighův rozptyl je na stejné vlnové délce, jako dopředný (nosný) optický signál, Ramanův rozptyl je frekvenčně posunut o 13 THz v tzv. Stokesovu a anti-Stokesovu pásmu, viz obr. 2. Brillouinův rozptyl je pak frekvenčně posunut o 11 GHz. Výhodou těchto systémů je možnost měření mnoha událostí podél optického vlákna současně [2].

Obr. 3: Blokové schéma distribuovaného senzorického systému

Obr. 4: Zpětně rozptýlený optický signál [2]

Jako zdroj záření se v distribuovaných (rozprostřených) senzorických systémech využívají úzkopásmové koherentní lasery, které musí být následně zesíleny na maximální možnou úroveň pomocí optických zesilovačů. Výkonová úroveň optického signálu vstupujícího do vlákna dosahuje hodnot až jednotek Wattů. Aby bylo možné měřit zpětně rozptýlený signál, musí být pulsní, čehož se dosahuje pomocí elektro-optických nebo akusto-optických modulátorů. Šířka pulsů pak určuje prostorové rozlišení senzorického systému. Pulsní signál se šíří optickým vláknem a postupně se na nehomogenitách vlákna odráží zpět. Zpětně rozptýlený signál je přibližně 1000× slabší než vysílaný signál, proto je nutné ho opět opticky zesílit a následně pomocí opto-elektronického převodníku převést na signál elektrický, který je dále složitými elektronickými obvody zpracováván. Tyto systémy jsou velice komplikované a vyžadují nákladné komponenty, což vede k celkově vysoké ceně.

DTS – Distributed Temperature Sensor

Tento typ distribuovaného teplotního senzoru využívá zpětného Ramanova rozptylu a používá se pro měření teploty, často se také označuje jako Ramanovské OTDR (Optical Time Domain Reflectometry – optický reflektometr). Ramanův rozptyl je citlivý na okolní teplotu, respektive jeho Stokesovo a anti-Stokesovo pásmo se při změně okolní teploty posouvá. Okolní teplota tak moduluje kmitočet Ramanova rozptylu. Nejčastěji se využívají v lineárních požárních systémech, zejména v tunelech, v metru, produktovodech a další lineárních stavbách a geotechnice. S výhodou je možné tyto systému použít také pro monitoring VVN kabelů, díky imunitě vůči elektromagnetickému záření. Běžně tyto systémy lze provozovat až do 10 km, s prostorovým rozlišením 1 m a přesností měření teploty ± 1 °C. Pro měření se používají standardní jednovidová nebo vícevidová vlákna, avšak je možné použít i speciálně upravená vlákna, a hlavně kabely, které lépe zajistí přenos okolní teploty k samotnému vláknu [2].

DTSS – Distributed Temperature Structure Sensor

Tyto typy měřicích systémů, často označované jako Brillouinovo OTDR, jsou velice podobné DTS systémům. Na rozdíl od nich je však vyhodnocován zpětně rozptýlený Brillouinův signál, který je kromě teploty citlivý také na vibrace a mechanické namáhání vlákna. Z tohoto důvodu je pro měření nutné používat dvě vlákna, přičemž jedno je měřicí a druhé kompenzační, na které působí pouze teplota. Tyto systémy nacházejí uplatnění především v geotechnice a stavebnictví. Délka senzoru bývá obvykle několik set metrů s prostorovým rozlišením do 1 m [5].

DAS – Distributed Acoustic Sensor

Distribuovaný akustický senzor je založen na měření Rayleighova rozptylu, často označováno jako fázové OTDR. Rayleighův rozptýlený signál se používá i pro měření rozložení útlumu optických tras v telekomunikacích klasickým OTDR měřidlem. Zásadním rozdílem je použitý laser, který v případě DAS musí být koherentní, extrémně úkopásmový (desítky kHz), vysoce frekvenčně a fázově stabilní. Každá vibrace vytváří různou akustickou vlnu, která je absorbována molekulami v jádře vlákna, což způsobuje fázový posuv zpětně rozptýleného světla a ve vlákně tak dochází ke vzniku lokálních interferometrů, což se projevu změnou amplitudy signálu.

Tento senzor dokáže detekovat, lokalizovat i klasifikovat zdroje akustických vibrací na vzdálenosti delší než 50 km. Prostorové rozlišení je dáno délkou trasy a šířkou vysílaných pulzů a pohybuje se v řádu od centimetrů až po desítky metrů. Využití těchto systémů je zejména pro ochrany produktovodů (ropa, plyn) a perimetrů – ochranu objektů, budov, hranic a další kritické infrastruktury. Další oblastí použití je monitoring vlakových souprav. Jako senzor je možné využít běžné jednovidové telekomunikační vlákno i kabel. Stávající telekomunikační optické trasy je tak možné použít pro detekci, lokalizaci a případně i klasifikaci zdrojů vibrací, pokud je kabel uložen maximálně 1 m pod povrchem země [5]. Nejstěžejněší částí těchto systémů je zpracování a vyhodnocování signálů, zejména z hlediska klasifikace měřených dějů, tak aby byl systém schopen rozpoznat např. přecházejícího člověka, nebo projíždějící automobil, a dle prahových hodnot určovat alarmové stavy. DAS systémy patří k nejprestižnějším optovláknovým senzorům a vyrábí je pouze několik výrobců na světě.

3.2 Bodové a semi-distribuované senzorické systémy

Obr. 5: Blokové schéma bodových senzorů

Bodové senzory, jak již plyne z názvu, měří danou veličinu pouze v určité, většinou jen několik milimetrů až centimetrů dlouhé části vlákna, kde je vytvořena měřící struktura. Obecně bodové optovláknové senzory dělíme dle toho, kde je světelné záření modulováno – senzory s vnější modulací, kde je světelné záření vyvázáno z vlákna ven, modulováno měřenou veličinou, a znovu navázáno do vlákna, a senzory s vnitřní modulací, kde modulace světelného záření probíhá přímo v optickém vlákně. Prakticky se dnes používá zejména druhá skupina senzorů – bodové senzory založené na FBG (Fiber Bragg Grating) difrakčních strukturách, nebo FP (Fabry–Pérot) rezonátorech. Při sériovém zapojení bodových senzorů pak vzniká semi-distribuovaný senzor, jehož citlivost a rozlišení je dáno počtem měřicích míst. Zvláštní pozornost FBG senzorům bude věnována v pokračování tohoto článku v příštím díle.

3.3 Interferometrické systémy

Tento typ optovláknových senzorů sleduje rozdíl mezi dvěma optickými svazky, které prošly stejné dráhy, ale ve dvou různých ramenech interferometru. Jedná se ve své podstatě o bodový senzor. Základní konstrukcí fázových optovláknových senzorů jsou vláknové interferometry – Mach–Zehnderův, Sagnacův, Michelsonův a Fabry–Pérotův. Senzory modulují optickou vlnu, která prochází snímací částí vlákna. Při snímání veličiny dochází ke změně fáze světelné vlny, kde dochází ke změně indexu lomu vlákna. Interferometr využívá dvě ramena optických vláken, přičemž jedno rameno je referenční a druhé měřicí. Detektor interferometru zaznamenává signál, který vzniká interferencí dvou optických paprsků – z referenčního a měřicího ramene. Interferometrické senzory se používají pro velice citlivé měření akustických signálů, tlaku, teploty, intenzity magnetického pole aj. [2].

Obr. 6: Blokové schéma interferometrických systémů

4. Závěr

Většina čtenářů důvěrně zná elektrické, případně elektromechanické senzory teploty, tlaku, apod. Stále větší význam nabývají optovláknové senzorické systémy. Běžné elektromechanické snímače jsou mnohdy v náročných aplikacích nepoužitelné, proto se optovláknové snímače s výhodou uplatní tam, kde konvenční měřicí prvky není možné použít – např. termočlánky pro měření teploty v silně elektromagneticky zarušeném prostředí. Článek souhrnně popisuje princip optických vláken a jejich aplikaci v optovláknových senzorických systémech. Na článek bude navazovat další pokračování se zaměřením na FBG senzory a jejich uplatnění v praxi.

5. Literatura

Ramaswami, R.; Sivarajan, K.; Sasaki, G.: Optical Networks: A Practical Perspective, 3^rd Edition. San Francisco, CA, USA: Morgan Kaufmann Publishers Inc., třetí vydání, 2009, ISBN 0123740924, 9780123740922.
FILKA, Miloslav. Optoelektronika pro telekomunikace a informatiku. Druhé, rozšířené vydání. Brno: prof. Ing. Miloslav Filka, Csc. a kol., 2017. ISBN 978-80-86785-14-1.
KERSEY, A. D. a A. DANDRIDGE. Applications of fiber-optic sensors. In: Proceedings., 39^th Electronic Components Conference [online]. IEEE, 1989, s. 472–478 [cit. 2020-04-15]. DOI: 10.1109/ECC.1989.77791.
ŠIFTA, R. Optovláknové senzorické systémy In Automa: Časopis pro automatizační techniku. Praha: FCC Public., 2020. ISSN 1210-9592.
RAJAN, Ginu. Optical fiber sensors: advanced techniques and applications. Boca Raton: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2015. ISBN 978-148-2228-250.

English Synopsis

Fiber Optic Sensors

The paper deals with special types of sensors that use optical fibers to measure various non-electrical quantities. The introduction describes the principle of light transmission in optical fibers and their applications. Main part is focused on fiber-optic sensors and their dividing. Special attention is paid to the distribution sensory systems and their practical application.