De technologie

Optische vezel sensor technologie

De optische vezel technologie vindt de laatste jaren steeds meer ingang voor het opmeten van onder meer temperatuur en vervorming. Dit als alternatief voor klassieke meettechnologieën met bijv. thermokoppels en PT100-temperatuursensoren voor temperatuur en bijv. elektrische en ‘vibrating wire’ rekstroken voor het opmeten van vervorming.

Multipoint versus distributed sensing

Een van de grote troeven van optische vezel als vervormings- en temperatuursensor is dat er meerdere sensoren op eenzelfde kabel kunnen worden aangebracht.

In het geval van multipoint sensing is dit aantal beperkt tot 20 à 30 meetpunten op door de gebruiker vastgelegde locaties. De meest gebruikte multipoint sensing techniek is de FBG-technologie. Hierbij worden de sensoren fabrieksmatig in de glasvezel aangebracht (zogenaamde ‘gratings’). De lengte van een grating is typisch ongeveer 10 mm lang. Elke grating reflecteert licht op een welbepaalde golflengte, die bovendien lineair varieert met de heersende rek en/of temperatuur.

Bij distributed sensing doet de hele optische vezel dienst als sensor (Figuur 2). Op deze manier kunnen bijv. hele grote afstanden afgedekt worden met een relatief lage sensorkost. Maar ook voor toepassingen op meer beperkte schaal hebben deze systemen hun nut, omwille van het erg gedetailleerde vervormings- en temperatuurbeeld dat wordt verkregen.

De belangrijkste eigenschappen van de meest toegepaste optische vezel sensortechnologieën zijn samengevat in onderstaande tabel (zie onder de tabel voor enkele belangrijke kanttekeningen).

Bij bovenstaande tabel dienen enkele belangrijke kanttekeningen te worden geplaatst:

De optische vezel sensortechnologie evolueert voortdurend waardoor de gegevens en cijferwaarden louter richtinggevend zijn.
Bepaalde distributed sensing technieken vereisen beide kabeluiteinden (‘double-ended’) om de beste nauwkeurigheid te kunnen leveren. Bij sommige technieken is de beschikbaarheid van beide kabeluiteinden bovendien een absolute vereiste om een meting te kunnen uitvoeren. Dit houdt dus ook in dat een kabelbreuk de haalbare nauwkeurigheid aanzienlijk doet dalen of een sensorkabel zelfs volledig onbruikbaar kan maken. Bij bijv. Brillouin scattering verlaagt de meetnauwkeurigheid met een orde van grootte wanneer met eenzelfde uitleestechnologie single-ended wordt gemeten (BOTDR) in plaats van double-ended (BOTDA). Afhankelijk van de toepassing hoeft dit echter niet meteen een probleem te zijn.
Bij de meeste technieken is de meetnauwkeurigheid bovendien afhankelijk van een reeks parameters, zoals o.a. de totale kabellengte, de spatiale resolutie en de tijd per meting.
De term spatiale resolutie (afgekort als ‘Spat. res.’ onder ‘Type meting’ in de tabel) wordt hieronder verder toegelicht.
Alle optische vezel sensortechnologieën, behalve de Raman-technologie, zijn onderhevig aan zowel rek- als temperatuurveranderingen. Dit heeft belangrijke implicaties voor het sensor- en kabelontwerp en voor de interpretatie van de metingen (temperatuurcompensatie).

Sensorkabel

Een optische vezel is een minuscule glasdraad (diameter 8 à 62.5 µm), waarrond zich een bekleding (‘cladding’) met een diameter van 125 µm bevindt. Over het algemeen zijn dit dezelfde vezels als deze gebruikt voor telecommunicatietoepassingen. Voor sensortoepassingen wordt deze fragiele vezel verder verstevigd met allerhande coatings (vaak kunststof, al dan niet glasvezel en/of met staal verstevigd), zodat een meer robuuste kabel wordt verkregen.

Sensorkabels zijn commercieel verkrijgbaar en hebben typisch een diameter tussen 1 en 10 mm. Afhankelijk van de toepassing is het ene kabeltype geschikter dan het andere. Voor toepassingen waar de ruimte beperkt is, kan bijvoorbeeld een (nog steeds erg fragiele) GFRP (‘Glass Fibre Reinforced Plastic’) gecoate kabel aangewend worden (zie bijv. Figuur 3).

Voor kabels die bijv. rechtstreeks mee in beton worden gestort, bestaan er dan weer meer robuuste kabels, eventueel met onregelmatig oppervlak om de samenwerking met het beton te bevorderen (bijv. Figuur 4).

Verder dient er een belangrijk onderscheid gemaakt te worden tussen temperatuur- en reksensoren of -sensorkabels. Terwijl het bij reksensoren en -sensorkabels belangrijk is dat de rek van de structuur zo goed mogelijk wordt overgedragen naar de optische vezel, is het bij temperatuursensoren en -sensorkabels net de bedoeling om idealiter geen enkele vervorming van de omgeving naar de optische vezel over te brengen. Voor de Raman-technologie is dit van geen belang, aangezien deze technologie rekonafhankelijk is.

Spatiale resolutie/nauwkeurigheid

Erg belangrijke, maar niet altijd even goed begrepen termen bij distributed sensing zijn ‘spatiale resolutie’ en ‘spatiale nauwkeurigheid’. De spatiale resolutie wordt veelal gedefinieerd als de minimale afstand tussen 2 ‘stapovergangen’ die gedetecteerd kan worden door het meetsysteem. Dit is dus een belangrijke parameter om aan te geven in welke mate een meetsysteem in staat is om bijv. lokale piekvervormingen waar te nemen. De spatiale nauwkeurigheid is eenvoudigweg de afstand tussen twee meetpunten in de output van de metingen. Een hogere spatiale nauwkeurigheid geeft meer gedetailleerde informatie over de exacte positie en de vorm van de fysieke rek- of temperatuurveranderingen langsheen de kabel. Beide begrippen worden geïllustreerd in Figuur 5. De groene en oranje metingen hebben beide dezelfde spatiale resolutie, maar de spatiale nauwkeurigheid van de groene meting is 5 keer hoger dan bij de oranje meting. Dit maakt dat de locatie van de overgangen in vervormingsniveaus nauwkeuriger wordt opgemeten (Figuur 5a). Figuur 5b toont dan weer het belang van de spatiale resolutie. In geen van beide metingen wordt de vervormingspiek waarheidsgetrouw opgemeten, omdat de lengte van de vervormde meetkabel kleiner is dan de spatiale resolutie van beide metingen.