Măsurarea temperaturii prin fibră optică (versiunea în limba engleză DTS = Distributed Temperature Sensing ) este utilizarea dispozitivelor optoelectronice pentru măsurarea temperaturii, în care fibrele de sticlă sunt folosite ca senzori liniari.
Sistemele cu fibră optică sunt potrivite nu numai pentru transmiterea informațiilor, ci și ca senzori de măsurare distribuiți local. Mărimile fizice de măsurare, cum ar fi temperatura sau presiunea , precum și forța de tracțiune pot acționa asupra fibrei optice și pot modifica proprietățile fibrelor optice într-o anumită locație. Datorită stingerii luminii din fibrele de sticlă de cuarț din cauza împrăștierii, locația impactului fizic extern poate fi determinată cu precizie, ceea ce face posibilă utilizarea ghidajului de lumină ca senzor liniar.
Așa-numitul efect Raman este potrivit în special pentru măsurătorile de temperatură folosind fibre optice din sticlă de cuarț . Lumina dintr-o fibră de sticlă este împrăștiată prin fluctuații microscopice de densitate mici, a căror dimensiune este mai mică decât lungimea de undă . Spre deosebire de lumina care vine, lumina retroîmprăștiată conține atât o componentă cu o lungime de undă inițială (datorită elasticității sau împrăștierii Rayleigh ), cât și componente care au suferit o schimbare spectrală cu o frecvență corespunzătoare frecvenței de oscilație rezonantă a nodurilor de împrăștiere ( împrăștiere Raman ). Componentele cu o lungime de undă deplasată formează linii de satelit în spectrul luminii împrăștiate, care sunt împărțite în Stokes ( deplasate la lungimi de undă mai mari și frecvențe mai mici) și anti-Stokes (deplasate la lungimi de undă mai scurte și frecvențe mai înalte) [1] . Amplitudinea componentei anti-Stokes depinde de temperatura locală.
Atenuarea minimă realizabilă în fibrele de sticlă este limitată de împrăștierea luminii cauzată de structura amorfa a fibrelor de sticlă. Încălzirea determină o creștere a vibrațiilor rețelei în complexul molecular al sticlei de cuarț. Când lumina cade asupra acestor vibrații excitate termic ale moleculelor, particulele de lumină (fotoni) și electronii moleculelor interacționează. În materialul din fibră de sticlă are loc o împrăștiere elastică (Rayleigh), precum și o împrăștiere suplimentară, mult mai slabă, a luminii, așa-numita împrăștiere Raman , care, în raport cu lumina incidentă, este deplasată spectral de frecvența de rezonanță a vibrației rețelei.
Tehnica clasică de reflectometrie optică temporală ( OTDR , Optical Time Domain Reflectometry) se bazează pe determinarea diferenței de timp dintre momentele de transmitere a unui impuls luminos și recepția luminii retroîmprăștiate, precum și a dependenței de intensitatea luminii împrăștiate. la timp (adică pe distanța de-a lungul cablului). Deoarece retrodifuziunea Rayleigh depinde de temperatură, poate fi utilizată pentru a măsura temperatura de-a lungul unei lungimi de cablu.
Imprăștirea Raman este mult (cu trei ordine de mărime) mai slabă decât Rayleigh, așa că nu poate fi măsurată folosind tehnica OTDR. Cu toate acestea, este utilizat într-o tehnică mai sofisticată de reflectometrie în domeniul frecvenței optice (OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry).
Intensitatea benzii Raman anti-Stokes este dependentă de temperatură, în timp ce banda Stokes este aproape independentă de temperatură. Măsurarea temperaturii locale în orice punct al fibrei rezultă din raportul dintre intensitatea luminii anti-Stokes și Stokes. Datorită metodei optice de retroîmprăștiere Raman, este posibilă măsurarea temperaturii de-a lungul fibrei de sticlă în funcție de loc și timp.
Structura schematică a unui sistem de măsurare a temperaturii cu fibră optică constă dintr-o unitate de condiționare a semnalului cu un generator de frecvență, un laser, un modul optic, o unitate de recepție și o unitate de microprocesor, precum și un cablu de ghidare a luminii (fibră de sticlă cuarț) ca senzor liniar de temperatură. În conformitate cu metoda OFDR, intensitatea laserului este modulată sinusoid în intervalul de timp de măsurare, iar frecvența este modulată liniar. Deviația de frecvență este o cauză directă a răspunsului local al OTDR. Lumina laser modulată în frecvență este direcționată în ghidul de lumină. În orice punct de-a lungul fibrei, există un semnal Raman emis în toate direcțiile. O parte din acest semnal se deplasează în direcția opusă blocului de condiționare a semnalului. Apoi se realizează filtrarea spectrală a luminii retroîmprăștiate, conversia acesteia în canalele de măsurare în semnale electrice, amplificare și procesare electronică. Microprocesorul calculează transformata Fourier . Ca rezultat intermediar, curbele de backscatter Raman sunt obținute în funcție de distanța de la începutul cablului. Amplitudinea curbelor de retroîmprăștiere este proporțională cu intensitatea împrăștierii Raman corespunzătoare. Din raportul curbelor de backscatter (anti-Stokes și Stokes), se obține temperatura fibrei de-a lungul cablului de fibră. Specificațiile tehnice ale unui sistem de măsurare a temperaturii Raman pot fi optimizate prin ajustarea parametrilor instrumentului (gamă, rezoluție spațială, precizie de temperatură, timp de măsurare).
De asemenea, este posibil să reglați cablul de ghidare a luminii în funcție de posibilitățile aplicației specifice. Rezistența termică a învelișului din fibră de sticlă limitează intervalul maxim de temperatură al cablului de ghidare a luminii. Fibrele de date standard au o acoperire acrilică sau întărită cu UV și sunt potrivite pentru temperaturi de până la 80°C. Fibra optică acoperită cu poliamidă poate fi utilizată până la o temperatură maximă de 400 °C.
Aplicațiile tipice pentru senzorii de temperatură cu fibre liniare sunt aplicațiile legate de siguranță, cum ar fi sistemele de alarmă de incendiu în tuneluri rutiere, feroviare sau de serviciu, precum și depozite, hangare de avioane, cisterne plutitoare sau instalații de depozitare pentru depozitarea intermediară a substanțelor radioactive. Alături de sistemele de alarmă de incendiu, astfel de sisteme sunt utilizate în alte zone industriale:
(opțiuni posibile în funcție de aplicație)