Pomiar wysokiej rozdzielczości — ODiSI i OBR

We wprowadzeniu pokazaliśmy porównanie dwóch metod („zasięg kontra rozdzielczość”). Ten artykuł to jego druga strona. OFDR (Optical Frequency Domain Reflectometry) bazuje — jak DAS — na rozpraszaniu Rayleigha, ale czyta światło w domenie częstotliwości, a nie czasu. Dzięki temu osiąga rozdzielczość, której metody impulsowe nie dotykają.

Domena czasu (OTDR) kontra częstotliwości (OFDR)

Klasyczne metody (OTDR, DAS) wysyłają impuls i mierzą echa w czasie — stąd duży zasięg, ale rozdzielczość ograniczona długością impulsu (rzędu metra). OFDR wysyła światło o płynnie przestrajanej częstotliwości i analizuje sygnał w częstotliwości — rozdzielczość wyznacza zakres przestrojenia (do ułamka milimetra), kosztem krótszego zasięgu. Przełącz:

Jak OFDR zamienia częstotliwość na odległość

Tu jest sedno — i to nie ma nic wspólnego z mierzeniem czasu. Laser płynnie podnosi swoją częstotliwość (tzw. chirp, ze stałym tempem γ). Światło wraca z każdego punktu włókna z pewnym opóźnieniem — im dalej, tym później. A że częstotliwość cały czas rośnie, opóźnione echo ma inną częstotliwość niż światło wysyłane w tej samej chwili. Ta różnica — częstotliwość dudnień — jest wprost proporcjonalna do odległości. Przesuń reflektor i zobacz:

Skąd rozdzielczość ułamka milimetra — i dlaczego krótki zasięg

Rozdzielczość OFDR zależy wyłącznie od szerokości przemiatania Δν (a nie od długości impulsu, jak w OTDR):

I tu klucz do pozornego paradoksu „mikrony, ale tylko metry zasięgu”: rozdzielczość i zasięg ogranicza co innego. Rozdzielczość — szerokość przemiatania; zasięg — spójność (koherencja) lasera (dalekie echo gubi „rytm” i rozmywa pik). Dlatego OFDR ma jednocześnie rozdzielczość mikronów i zasięg metrów. (W idealnym przypadku; realnie sweep nie jest idealnie liniowy — stąd m.in. drugi interferometr „zegarowy” korygujący przestrajanie.)

ODiSI: odcisk palca włókna

Jak z tego powstaje pomiar naprężeń? Każdy milimetr włókna rozprasza światło w nieco inny, losowy, ale powtarzalny sposób — to jego unikalny „odcisk palca” (fizycznie zachowuje się jak przypadkowa, słaba siatka Bragga). Gdy włókno się rozciąga lub nagrzewa, ten odcisk przesuwa się w częstotliwości. System porównuje aktualny odcisk z zapisanym wzorcem (kross-korelacja) i z przesunięcia wylicza naprężenie/temperaturę — osobno dla każdego punktu, z czułością rzędu pojedynczych µε.

Co to daje w praktyce? Przy karbie naprężenie rośnie ostro na szerokości milimetrów. ODiSI zobaczy ten pik w całości — czujnik o rozdzielczości kilku centymetrów uśredni go i przeoczy. Wybierz scenariusz:

Gdzie OFDR się sprawdza

OFDR w ofercie Interlab

Interlab dostarcza systemy OFDR firmy Luna Innovations:

• ODiSI — rozproszony pomiar naprężeń i temperatury o wysokiej rozdzielczości (oczko siatki do 0,65 mm, czujniki o długości do dziesiątek metrów) do testów konstrukcji, kompozytów, baterii i urządzeń medycznych.
• OBR — reflektometr OFDR z zero dead-zone i próbkowaniem do 10 µm do charakteryzacji włókien i sieci oraz rozproszonego pomiaru temperatury/naprężeń.

Dobór systemu, kabla/czujnika i sposobu montażu zależy od zadania — to wdrożenie projektowe.

Czytaj dalej

Najczęstsze pytania