Materiały konferencyjne SEP 2022

1.2. Zasada pomiaru DFOS W zastosowaniach telekomunikacyjnych dąży się do tego, aby szklane włókno światłowodu było jak najczystsze, tj. pozbawione imperfekcji, mikrozarysowań, mikrozanieczyszczeń, czy też lokalnych zmian gęstości, które powodują, że wraz z długością światłowodu zmniejsza się moc fali świetlnej. Jedną z przyczyn takiego stanu rzeczy jest występowanie zjawiska rozpra- szania Rayleigha, zachodzącego w każdym przekroju światłowodu na skutek cząstkowej bu- dowy materii, powodującej niejednorodności we współczynniku załamania światła w skali mi- kro. Towarzyszy temu rozpraszanie wsteczne polegające na tym, że odbita od imperfekcji struktury szkła fala świetlna porusza się wstecz względem pierwotnego kierunku ruchu. Ampli- tuda rozproszenia jest przypadkową, ale stałą dla danego włókna własnością. Analiza tego promieniowania odbywa się obecnie za pomocą zaawansowanych reflektometrów optycznych. Jeśli na skutek odkształceń mechanicznych lub termicznych dojdzie do zmiany długości włók- na światłowodowego, zmienią się również odległości pomiędzy lokalnymi imperfekcjami, co widoczne będzie jako przesunięcie spektrum częstotliwościowego fali wstecznej. Aktualny profil rozpraszania dla włókna obciążonego mechanicznie lub termicznie, porównywany jest z profilem referencyjnym. Dzięki temu możliwe jest wyznaczenie rozkładu odkształceń me- chanicznych i/lub temperatury na całej długości analizowanego włókna. 1.3. Czujniki światłowodowe DFOS Czujniki DFOS do pomiaru odkształceń są obecnie najszerszą grupą czujników wykorzysty- wanych w inżynierii. Poprzez odkształcenie rozumie się tutaj zmianę jednostkowej długości czujnika w odniesieniu do jego pierwotnej bazy, rozpatrywanej wzdłuż osi czujnika. Uzyskane w sposób geometrycznie ciągły dane pomiarowe w dziedzinie długości pozwalają na bezpo- średnią detekcję wszystkich mechaniczno-termicznych zdarzeń, w tym: zarysowań, spękań, rozwarstwień, lokalnych koncentracji odkształceń, przecieków itp. Co więcej, znając parame- try materiałowe oraz prawa fizyczne monitorowanego materiału (np. moduł sprężystości oraz prawo Hooke’a), istnieje możliwość wyznaczenia naprężeń na podstawie zmierzonych od- kształceń. W ten sposób uzyskiwana jest wartość, istotna z punktu widzenia bezpieczeństwa pracy górotworu czy konstrukcji. Na rynku dostępnych jest wiele modeli czujników odkształceń DFOS, jednak z punktu widze- nia ich budowy i ogólnej zasady działania, wyodrębnić można dwie podstawowe grupy: – kompozytowe, monolityczne czujniki pomiarowe DFOS [1] – Rys. 2a. Charakteryzują się one wysoką wytrzymałością i elastycznością, dobrze zdefiniowanymi właściwo- ściami mechanicznymi i przede wszystkim poprawnym odzwierciedleniem aktualnego stanu odkształcenia monitorowanego górotworu poprzez niezaburzony mechanizm transferu odkształceń; – tworzywowe, warstwowe kable sensoryczne DFOS [2] – Rys. 2b. Ze względu na ich tele- komunikacyjny rodowód, charakteryzują się bardzo dużym zróżnicowaniem ze względu na konstrukcję i właściwości pomiarowe. Czujniki monolityczne mają postać prętów kompozytowych o przekroju poprzecznym okrągłym rzędu 5 do 8 mm wyposażonych w zewnętrzny oplot uszorstniający (Rys. 3a), za- pewniający właściwe zespolenie czujnika z monitorowanym ośrodkiem. Znane są także roz- wiązania, w których zewnętrzny oplot zastępowany jest posypką piaskową lub perforowaną warstwą żywicy.