Czujniki światłowodowe DFOS — przegląd zastosowań w inżynierii lądowej i materiałach kompozytowych

Rozłożone czujniki światłowodowe (DFOS) umożliwiają ciągły pomiar odkształcenia, temperatury i ciśnienia wzdłuż całej długości włókna. Przegląd zasad pomiarowych (Rayleigh, Brillouin, Raman, FBG), typowych zastosowań w monitoringu konstrukcji (SHM), oraz praktycznych ograniczeń przy wdrożeniach w mostach, tunelach, rurociągach i kompozytach.

Streszczenie

Rozłożone czujniki światłowodowe (DFOS) są jedną z najszybciej rozwijających się technologii pomiarowych w inżynierii lądowej, inżynierii materiałowej i monitoringu infrastruktury. Zamiast pojedynczych punktów pomiarowych, dostarczają ciągły profil wzdłuż całego włókna — na odcinkach od metrów do dziesiątek kilometrów. Artykuł omawia cztery dominujące zasady pomiaru (rozpraszanie Rayleigha, Brillouina, Ramana oraz siatki Bragga), typowe topologie torów pomiarowych, odniesienia normatywne istotne dla polskiego i europejskiego rynku, a także ograniczenia techniczne wyznaczające granice zastosowania. Celem jest kompaktowe wprowadzenie dla inżynierów projektujących monitoring strukturalny (SHM) oraz badania nieniszczące (NDT), którzy po raz pierwszy stają przed wyborem między konkurencyjnymi wariantami faseroptyki.

Słowa kluczowe: czujniki światłowodowe, DFOS, FBG, Rayleigh, Brillouin, Raman, monitoring konstrukcji, SHM, badania nieniszczące, inżynieria lądowa.

1. Wprowadzenie

Klasyczny monitoring konstrukcji opiera się na czujnikach punktowych — tensometrach foliowych, akcelerometrach, termoparach. Każdy czujnik mierzy w jednym miejscu i wymaga własnego okablowania, własnego przejścia przez obudowę, własnego toru pomiarowego. Przy obiektach wielkoskalowych (mosty, tunele, rurociągi, kompozyty wielkogabarytowe) ta logika szybko dochodzi do granic — zarówno z powodu liczby punktów, które trzeba zaopatrzyć, jak i z powodu tego, że uszkodzenia rzadko pojawiają się dokładnie tam, gdzie przewidziano pomiar.

DFOS odwraca podejście. Zamiast instrumentować wiele punktów, w konstrukcję wprowadza się ciągły światłowód. Każdy centymetr tego włókna jest potencjalnym punktem pomiarowym; o tym, które punkty zostaną faktycznie wyczytane, decyduje interrogator na końcu toru. W typowej konfiguracji daje to tysiące do milionów wirtualnych punktów pomiarowych z pojedynczego włókna, na odległościach od kilkudziesięciu metrów do kilkudziesięciu kilometrów.

W praktyce: światłowód jest odporny na zakłócenia elektromagnetyczne, nie wymaga zasilania w miejscu pomiaru, pozwala na trudno dostępne miejsca (zalewany w betonie, wtapiany w kompozyty, prowadzony przez przepusty i uszczelnienia) i pozostaje stabilny przez dziesięciolecia, jeśli włókno i powłoka zostały wybrane prawidłowo. Technologia jest dostępna przemysłowo od lat 90. XX wieku; ostatnia dekada przyniosła przede wszystkim obniżenie ceny, poprawę niezawodności oraz postępującą normalizację, dzięki którym wdrożenia poza laboratoriami stały się ekonomicznie uzasadnione [1,2].

2. Zasady pomiaru

2.1 Rozpraszanie Rayleigha (OFDR i OTDR)

Rozpraszanie Rayleigha powstaje na mikroskopowych fluktuacjach gęstości w rdzeniu światłowodu. Są one indywidualne dla każdego odcinka włókna i zmieniają się wraz z lokalnym odkształceniem i temperaturą. Dwie rodziny interrogatorów wykorzystują to zjawisko:

• OFDR (Optical Frequency Domain Reflectometry) — wykorzystuje koherentne źródło przestrajalnej częstotliwości. Typowa rozdzielczość przestrzenna 1 mm – 1 cm, zasięg do ok. 100 m, czułość na odkształcenie ±1 µε, czułość na temperaturę ±0,1 °C. Doskonale nadaje się do krótkich, wysokorozdzielczych odcinków — kompozyty, badania laboratoryjne, krytyczne fragmenty konstrukcji.
• OTDR (Optical Time Domain Reflectometry) — wysyła krótkie impulsy świetlne i mierzy czas powrotu oraz amplitudę. Zasięg wielu kilometrów, rozdzielczość rzędu metra.

Rayleigh mierzy jednocześnie odkształcenie i temperaturę. Ich rozdzielenie wymaga dodatkowego, mechanicznie odseparowanego włókna lub równoległej pomiaru Raman DTS.

2.2 Rozpraszanie Brillouina (BOTDA, BOTDR, BOFDA)

Rozpraszanie Brillouina jest rozpraszaniem nieelastycznym na fononach akustycznych. Przesunięcie częstotliwości rozproszonej fali (przesunięcie Brillouina) zależy liniowo od temperatury i odkształcenia:

• BOTDA (Brillouin Optical Time Domain Analysis) — wymaga dostępu do obu końców włókna, zasięg 20–50 km (nowsze systemy do 100 km), rozdzielczość 0,5–5 m, czułość ±2–20 µε / ±0,1–1 °C [3].
• BOTDR (Brillouin Optical Time Domain Reflectometry) — dostęp jednostronny wystarczy; rozwiązanie typowe dla modernizacji obiektów istniejących.
• BOFDA (Brillouin Optical Frequency Domain Analysis) — modulacja w dziedzinie częstotliwości; poprawia rozdzielczość przy długich trasach.

Brillouin jest preferowaną techniką dla monitoringu infrastruktury dalekiego zasięgu: rurociągi, tunele, wały przeciwpowodziowe, linie energetyczne, trasy kolejowe.

2.3 Rozpraszanie Ramana (DTS)

Rozpraszanie Ramana powstaje na drganiach molekularnych szkła światłowodu. Stosunek składowych Stokesa i anty-Stokesa zależy wyłącznie od temperatury bezwzględnej w miejscu rozproszenia — stąd Distributed Temperature Sensing (DTS):

• Zasięg typowo 10–30 km (w szczególnych przypadkach do 70 km),
• rozdzielczość przestrzenna 0,5–2 m,
• czułość na temperaturę ±0,1–0,5 °C [4].

DTS nie reaguje na odkształcenie i stanowi czysty punkt odniesienia temperaturowego — idealny do kompensacji wpływu temperatury w pomiarach Rayleigha i Brillouina. Zastosowania: kable energetyczne w tunelach kablowych (detekcja hot-spotów), monitoring wentylacji tuneli, rurociągi (detekcja wycieków przez chłodzenie Joule’a–Thomsona), odwierty geotermalne.

2.4 Siatki Bragga (FBG)

Siatki Bragga to okresowe modulacje współczynnika załamania w rdzeniu włókna, selektywnie odbijające określoną długość fali. Odkształcenie i temperatura przesuwają długość fali Bragga; interrogator mierzy to przesunięcie:

• Pomiar punktowy, długość pomiarowa na siatkę 5–20 mm,
• multiplexing długościowy (WDM) — 20–50 siatek na włókno,
• wysoka dynamika do kilohertzów — nadaje się do analizy drgań i analizy modalnej,
• czułość ±0,5–1 µε / ±0,1 °C [5].

FBG jest światłowodową odpowiedzią na klasyczny tensometr — punktowy, kalibrowalny, adresowalny, lecz bez przewodów elektrycznych i z możliwością multipleksowania na jednym włóknie.

2.5 Porównanie w jednym rzucie oka

Wybór nie wynika z „rankingu” technik, lecz z wymaganej rozdzielczości, zasięgu i mierzonej wielkości — oraz z tego, jak odseparować temperaturę od odkształcenia w konkretnej aplikacji.

3. Topologie torów pomiarowych

Tor pomiarowy DFOS składa się z czterech elementów: światłowodu czujnikowego (z powłoką i zakotwieniem do konstrukcji), tras doprowadzających z przepustami, interrogatora oraz systemu akwizycji i przekazania danych do nadrzędnego systemu (SCADA, MES, platforma SHM).

3.1 Włókno i powłoka

Dwie klasy włókien dominują: standardowe włókno jednomodowe (zgodne z SMF-28, ITU-T G.652) oraz włókna z powłoką poliimidową lub ormocerową, odporniejsze chemicznie, termicznie i mechanicznie — konieczne przy wtapianiu w beton, osadzaniu w kompozytach lub pracy powyżej 150 °C.

Wybór powłoki determinuje jednocześnie odporność środowiskową i transfer odkształcenia z konstrukcji do włókna. Zbyt gruba, podatna powłoka mechanicznie odłącza włókno i obniża czułość; zbyt cienka zwiększa ryzyko pęknięcia. Modelowanie typu shear-lag opisujące ten obszar jest tematem osobnym i zostało opracowane w [6].

3.2 Topologia jednostronna lub pętlowa

• Single-ended — włókno kończy się absorberem; interrogator mierzy tylko z jednej strony. Zaleta: jeden przepust. Wada: awaria w jednym punkcie czyni wszystko za nim niedostępnym. Nadaje się do krótkich tras i prototypów.
• Loop-back / dwustronna — włókno wraca po tej samej stronie co start; interrogator mierzy z obu kierunków. Stratę fragmentu kompensuje, dokładność rośnie. Standardowa topologia dla długotrwałych instalacji na infrastrukturze.

3.3 Multipleksowanie

W FBG — multipleksowanie długościowe (WDM); w rozłożonych systemach — czasowe lub częstotliwościowe wzdłuż włókna. Dodatkowy multipleks przestrzenny powstaje poprzez optyczne przełączniki, które sekwencyjnie łączą kilka włókien z jednym interrogatorem. Dla dużego obiektu typowe jest, że jeden interrogator obsługuje przez przełącznik 4–8 włókien (strona północna, południowa, wschodnia i zachodnia mostu) w rytmie minutowym.

3.4 Od interrogatora do SCADA

Dane surowe są wysokowymiarowe: rozłożony system dostarcza w każdym pomiarze pełny wektor odkształcenia/temperatury wzdłuż włókna. Przy 10 km i rozdzielczości 1 m to 10 000 wartości na skan; przy 1 Hz — 36 milionów wartości na godzinę. Redukcja danych na brzegu (edge-aggregation, porównanie z progiem, agregacja do momentów statystycznych w oknie czasowym) jest częścią toru pomiarowego, nie krokiem następczym.

Przekazanie do SCADA/MES odbywa się przez protokoły przemysłowe (OPC UA, MQTT, Modbus-TCP) lub REST API interrogatora. Dla dokumentacji badań wymagane jest niemanipulowalne logowanie każdego pomiaru — znacznik czasu, numer seryjny interrogatora, stan kalibracji, skrót surowych danych.

4. Normy i wytyczne

Normalizacja DFOS postępuje w trzech warstwach.

4.1 Normy międzynarodowe produktowe i procesowe

• Seria IEC 61757 — „Fibre optic sensors”: terminologia, badanie, charakterystyka. IEC 61757-1 definiuje pojęcia ogólne; kolejne części dotyczą konkretnych wielkości (temperatura, odkształcenie, ciśnienie).
• ISO/TS 24679 — distributed fibre optic sensing dla infrastruktury (częściowo w fazie opracowania).

4.2 Normy aplikacyjne w inżynierii lądowej i geotechnice

• Seria ISO 18674 — „Geotechnical monitoring by field instrumentation”. Obejmuje instrumentację konstrukcji geotechnicznych, w tym metody światłowodowe pomiaru przemieszczeń i odkształceń.
• fib Model Code for Service Life Design oraz fib Bulletin 86 („Monitoring of concrete structures”) — referencje dla instrumentacji betonu z użyciem DFOS [7].
• Seria Eurokodu (EN 1990 i dalsze) — podstawy niezawodności; dane monitoringu mogą zostać wykorzystane w ocenie niezawodności.

4.3 Normy krajowe i europejskie

• Polskie Normy (PN) oraz PN-EN przyjmujące normy europejskie w zakresie badań nieniszczących (PN-EN ISO 9712 — kwalifikacja personelu NDT), konstrukcji budowlanych i monitoringu geotechnicznego.
• Instrukcje ITB oraz wytyczne branżowe dla monitoringu obiektów mostowych i tuneli.
• Rozporządzenia techniczne dla infrastruktury transportowej (GDDKiA, PKP PLK) — ramy stosowania pomiarów ciągłych w ocenie stanu obiektów.

Praktyczna konsekwencja: udokumentowanie toru pomiarowego DFOS wobec inwestora, inżyniera weryfikującego lub operatora wymaga indywidualnej kalibracji i protokołowania każdego z komponentów (włókno, interrogator, zakotwienie) zgodnie z określonymi normami — zwykle serii IEC 61757 dla samego czujnika, fib Bulletin 86 dla aplikacji budowlanej, z rzetelnością kalibracji sprowadzoną do krajowych wzorców (w Polsce — GUM, Główny Urząd Miar).

5. Typowe zastosowania

Cztery pola dominują w dzisiejszych wdrożeniach DFOS:

• Mosty i konstrukcje sprężone. Profile odkształcenia wzdłuż belek, detekcja pęknięć przed ich wizualną widocznością, monitoring siły sprężającej w kablach sprężających, trwała instrumentacja bez konieczności dokładania przewodów.
• Materiały kompozytowe (CFRP, GFRP, aramid). Osadzanie podczas laminowania lub w procesie infuzji; monitoring delaminacji, pękania osnowy i przerwania włókien od wewnątrz. Zastosowania w lotnictwie, energetyce wiatrowej i rurociągach kompozytowych.
• Rurociągi, tunele i wały. Rozłożony pomiar odkształcenia i temperatury na odcinkach dziesiątek do stu kilometrów; detekcja wycieków przez sygnatury termiczne, detekcja osiadań, detekcja ingerencji osób trzecich.
• Infrastruktura energetyczna. Detekcja hot-spotów w kablach wysokiego napięcia, monitoring temperatur transformatorów, monitoring odwiertów geotermalnych.

Dodatkowo: medyczne czujniki ciśnienia, strukturalna analiza modalna z FBG-akcelerometrami, ochrona perymetryczna przez włókna wrażliwe na drgania.

6. Ograniczenia i źródła błędów

Rzetelne przedstawienie DFOS obejmuje również granice technologii:

• Krzyżowa wrażliwość odkształcenie ↔ temperatura. Przy Rayleighu i Brillouinie oba efekty wpływają na tę samą obserwowaną. Ich rozdzielenie wymaga dodatkowego, mechanicznie odseparowanego włókna lub równoległej pomiaru Raman DTS. Bez tego odczyty odkształcenia poza warunkami izotermicznymi nie są wiarygodne.
• Stan kalibracji i dryf interrogatora. Dokładność absolutna zależy od jakości wzorców w interrogatorze (standard długości fali, wewnętrzny czujnik temperatury). Typowe dryfy rzędu kilku µε i 0,1 °C rocznie; regularna kalibracja wobec wzorca spójna z krajowym systemem miar jest konieczna.
• Starzenie włókna i powłoki. Powłoki starzeją pod wpływem UV, alkalicznego roztworu porowego betonu i cykli temperaturowych. Dla trwałości powyżej dziesięciu lat wybór powłoki jest decydujący; włókna poliimidowe mają istotnie lepszą prognozę niż akrylowe.
• Pęknięcie włókna i awaria złącza. Każda spoina i każde złącze jest potencjalnym miejscem awarii. Niezawodność toru nie jest wyższa niż niezawodność jego najsłabszego elementu.
• Rozdzielczość przestrzenna vs. szum pomiaru. Wyższa rozdzielczość przestrzenna oznacza krótszą efektywną długość uśredniania, a więc gorszy stosunek sygnał-szum. Specyfikacja „1 cm rozdzielczości” bez podania odpowiadającego szumu jest niekompletna.
• Koszt interrogatora. Interrogatory rozłożone są dobrami inwestycyjnymi w cenie kilkudziesięciu tysięcy euro; FBG są tańsze, ale wciąż pięciocyfrowe. Dla małych projektów wynajem lub usługa zewnętrzna są często rozsądniejsze niż zakup.

7. Podsumowanie

DFOS jest dziś technologią inżynierską, nie laboratoryjną: cztery ustalone zasady fizyczne (Rayleigh, Brillouin, Raman, FBG), jasne zasięgi i rozdzielczości, standardowe topologie i rosnący dorobek normatywny (IEC 61757, ISO 18674, fib Bulletin 86). Wybór konkretnego wariantu wynika z kombinacji wielkości mierzonej, wymaganej rozdzielczości, zasięgu oraz sposobu rozdzielenia wpływu temperatury i odkształcenia.

Pułapki nie leżą w fizyce — leżą w wyborze powłoki, zakotwieniu, kompensacji krzyżowej wrażliwości oraz kalibracji interrogatora. Te cztery tematy rozstrzygają, czy tor pomiarowy po pięciu latach wciąż dostarcza wiarygodnych danych, czy przerodził się w dekoracyjną instalację kabla.

W praktyce: wcześnie zdecydować, czy mierzyć rozłożono czy punktowo; włókno i powłokę traktować jako element konstrukcji, nie jako zakup; łańcuch kalibracji dokumentować od początku; a ścieżkę danych zaprojektować tak, by zmiana interrogatora lub rekalibracja nie zrywała ciągłości interpretacji danych historycznych.

IOAS wspiera projekty w budownictwie, infrastrukturze i kompozytach w wyborze, instrumentacji i interpretacji danych torów pomiarowych DFOS. Zapytania: director@ioas.pro.

Literatura

[1] López-Higuera, J. M.; Rodríguez Cobo, L.; Quintela Incera, A.; Cobo, A. (2011): Fiber Optic Sensors in Structural Health Monitoring. Journal of Lightwave Technology 29(4), 587–608. DOI: 10.1109/JLT.2011.2106479.

[2] Barrias, A.; Casas, J. R.; Villalba, S. (2016): A Review of Distributed Optical Fiber Sensors for Civil Engineering Applications. Sensors 16(5), 748. DOI: 10.3390/s16050748.

[3] Bao, X.; Chen, L. (2012): Recent Progress in Distributed Fiber Optic Sensors. Sensors 12(7), 8601–8639. DOI: 10.3390/s120708601.

[4] Ukil, A.; Braendle, H.; Krippner, P. (2012): Distributed Temperature Sensing: Review of Technology and Applications. IEEE Sensors Journal 12(5), 885–892. DOI: 10.1109/JSEN.2011.2162060.

[5] Hill, K. O.; Meltz, G. (1997): Fiber Bragg Grating Technology Fundamentals and Overview. Journal of Lightwave Technology 15(8), 1263–1276. DOI: 10.1109/50.618320.

[6] Her, S.-C.; Huang, C.-Y. (2011): Effect of Coating on the Strain Transfer of Optical Fiber Sensors. Sensors 11(7), 6926–6941. DOI: 10.3390/s110706926.

[7] fib Bulletin 86: Monitoring and Safety Evaluation of Existing Concrete Structures. International Federation for Structural Concrete, 2017.

[8] Soller, B. J.; Gifford, D. K.; Wolfe, M. S.; Froggatt, M. E. (2005): High resolution optical frequency domain reflectometry for characterization of components and assemblies. Optics Express 13(2), 666–674. DOI: 10.1364/OPEX.13.000666.

[9] Siwowski, T.; Rajchel, M.; Howiacki, T.; Sieńko, R.; Bednarski, Ł. (2021): Distributed fibre optic sensors in FRP composite bridge monitoring: Validation through proof-load test. Engineering Structures 246, 113048. DOI: 10.1016/j.engstruct.2021.113048.

[10] Lecompagnon, J.; Grosse, C. U. (2020): Distributed Fibre Optic Sensing for Monitoring of Composite Structures — Review and Case Study. Sensors 20(14), 3832. DOI: 10.3390/s20143832.