Fiber Optic Sensors

光ファイバーセンサ

業界トップのモジュール式光ファイバーセンサ、ポータブルおよびラックマウントオプション

VIAVI は、業界唯一の従来の OTDR を搭載した完全ポータブル型 DTS および DTSS ソリューションを提供しています。ほとんどの温度および歪みセンシング装置はラックマウント型のみです。当社のファイバーセンシングソリューションは、モジュール設計式かつバッテリー駆動型で、MTS-8000 スケーラブルマルチテストプラットホーム、あるいは VIAVI ONMSi ソリューションと OTU-8000 ユニットの組み合わせと互換性があります。OTU-8000 はモジュール式光テストヘッドで OTDR、ブリルアン OTDR、ラマン OTDR、および自動ルーチンで多数のファイバーを監視するためのスイッチを搭載しています。


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VIAVI はどの種類の光ファイバーセンシングインテロゲータを提供していますか?

VIAVI ファイバーセンシングポートフォリオには以下が含まれます。

  • ラマン OTDR 技術に基づくDTS (Distributed Temperature Sensing、温度分布測定)
  • ブリルアン OTDR 技術に基づく DTSS (Distributed Temperature and Strain Sensing、温度・歪み分布測定)

定期的にインフラを検査するには?

DTS や DTSS モジュールを搭載した VIAVI MTS-8000 プラットホームなどのポータブル型を使用すると、作業者はフィールドでファイバー測定を行うことができます。あるいは、ONMSi および DTS または DTSS 搭載のラックマウント OTU (光テストユニット) を使用して定期トレースすることでファイバーを監視し、最初の基準トレースから変化があった場合に警告が発せられるようにできます。

分布型光ファイバーセンサが従来型の電気機械式センサに優る経済的な利点は何か?

光ファイバーセンサは大幅に格安で、データポイントリッチソースとして、導入・使用する手間がずっと軽減されます。ケーブル内のファイバーが分布型センサを形成しており、その材料は低価格、軽量、しかも被試験物への接続または組み込みが容易にできます。

ファイバーは高信頼性の分布型センサで、データを取得するために定電流を必要とせず、電磁波および高周波の干渉を受けません。従来、歪みや温度データを取得するためのメインデータソースは、重い有線電動センサで、導入に非常に手間がかかっていました。

電気機械式センサは外れ落ちる可能性があり、侵入的でコストが法外に高く、電源を必要とします。電源がない、または腐食、振動、EMI の問題がある場所では実用的ではありません。電気および無線ノイズのイングレスやイーグレスにより測定データが歪みます。安全性監視を必要とするブリッジはコスト効率の良い光ファイバーセンサ監視に対して最適で、ファイバーをブリッジに組み込んだり遡及的に接続したりしても、ブリッジが実際に故障する前に歪みや故障のリスクを検出できます。ファイバーをひどく曲げない限り、ファイバーを正弦波形に実装して表面全体でより多くのデータが得られるようにします。ファイバーセンサの実装時にファイバーの多少の歪みが必要となる場合、OTDR はマイクロおよびマクロベンドを検出し、ファイバーの歪みと曲がりを最適化できます。

光ファイバーセンサから得られる利点とデータタイプは何か?

光ファイバーセンサは、ファイバーの動き、曲がり、破断を示す音響、歪み、温度、光伝送特性など、多岐にわたるデータを光パルス試験器 (OTDR) を通して提供します。このデータは、個別に断続的に置かれたセンサ場所に限らず、ファイバーの全長に渡り提供されます。たとえば、OTDR を用いてこれらの値を測定することで長いファイバー全長に渡るグラジエントによりどの部分で温度が変化したかがわかります。また、ファイバーの伸びの開始と終了点からどこに歪みがあるかを見ることもできます。通信では歪みを回避しなければならないため、これを測定することでネットワークを保護し、ケーブル歪みのプロアクティブな軽減と修理が可能になります。ブリッジを監視したい場合、ファイバーセンサ上の歪みはブリッジプレートの分離によるたるみ、沈み、応力などのブリッジの動きを示す可能性があります。

データセンター、原子力発電所、血液銀行の貯蔵施設など、特定の温度に保つことを必要とする建物全体を通しての温度測定を考慮してください。従来型の電気式温度センサは幾つかの場所に置かれ、定期的に個別点を読み取ります。電子式温度センサは高価で常時通電する必要があります。センサがない場合や、電源障害、極度な温度、または EMI 干渉などが原因でセンサが機能しない場合にはどうなるか? 温度が最適に管理されていないため、高温点または低温点が生じます。1 本または複数本のファイバーケーブル形状の光ファイバーセンサ網で建物全体を網羅し、連続場所で測定値を読み取れます。このファイバー網はより多くのデータポイントを提供するため、低価格にて高信頼性のより良いカバレッジが得られます。ファイバーセンサによる情報取得に必要なのはレーザー OTDR が放つ光パルスのみで、装置は 1 日以上電源が切れた場合はバッテリー駆動できます。

光ファイバーセンサの革新的なアプリケーションにはどのようなものがあるか?

 

データおよび通信用ファイバーケーブルの監視:

通信ケーブルは世界中あらゆる場所の険しい過酷な環境の地下、海底、空中に敷設されており、氷、風、地動、侵食、波、破壊行為、人的過誤によりケーブルの歪みや破断が絶えず生じており、サービスの停止と低下の両方が生じています。ケーブルは誤って歪んで敷設されることがあります。過度に歪むと、破断のリスクが生じ、ケーブルの寿命は 35 ~ 40 年から最悪の場合は数か月まで著しく短縮されます。

Fiber Optic Sensors

Fiber Optic Sensors

長距離回線および海底ケーブルはミッションクリティカルですが、険悪な天候、遠隔地、危険な地形の場合はサービスの提供が困難です。光ファイバーセンサを用いた分布型歪み検出により、ネットワークケーブル所有者は敷設時にファイバーテストを行い、その後のサービス提供中にダークファイバーの過度な歪みリスクや歪みの変化を監視することで破断を最小化できます。モーリタニアでは最近、海底ケーブルの破断が発生し、2 日間にわたり、ネットワーク全体がインターネットから切断されるという事象が起きました。これは、トロール船がアフリカ海岸からヨーロッパへのケーブルを海底から引き上げて破断したことが原因でした。このケーブルの歪みが監視されていれば、ケーブルが引き上げられていた間に破断する前に警告が発せられたはずです。破断してしまった場合にも、従来のレイリー OTDR は破断位置を 1m 以内の精度で特定するため、故障時間を短縮できたはずです。

過度な量の氷がついた空中ケーブルについて考えてみましょう。ネットワーク事業者はケーブルを監視し、そのようなネットワーク区間が見つかったら、作業者が氷を除去して過度な歪みを防ぐことができます。歪みが起きた後、ケーブルを MAT 公差測定値に照合してテストし、交換の優先順位を決めることができます。ポータブル型 DTSS 光ファイバーセンサ OTDR とラックマウント型ファイバーインテロゲーション OTDR が共に利用可能です。 

Broken aerial cable preventable with fiber optic sensors

通信ケーブルの修理と保険チャージバック: 

ケーブル破断の最も一般的な原因は、建設のための掘削 (通称:バックホー減衰) です。破断位置が特定されると、多くの場合、その位置でケーブルをスプライスするか、コネクタを付けます。ただし、バックホーがケーブルを掘り出したとき、歪みにより破断位置の両側何メートルにも及びケーブルが損傷されているので、これは一時的な解決に過ぎません。

Backhoe repairing broken cable

ケーブルを再敷設すると、再度破断するか、損傷しすぎて劣化しているために適切なサービスを提供できなくなる可能性があります。修理の繰り返しは高価で、再度サービス停止が起きることになる可能性があります。光ファイバーセンサ OTDR により破断部分の両側の歪み分布測定を行うことで、作業者は科学的な証拠を提供し、正確にどのケーブルセクションを交換する必要があるかを示すことができます。この証拠は、損傷コストを責任者に請求するために使用できます。これにより、その後の修理のための派遣および顧客へのサービス中断の繰り返し、ならびに歪みによる損傷のない良好なケーブルセクションの不要な修理を回避できます。

パイプラインやダムの漏れの検出:

パイプラインは石油、化学物質、食品、廃棄物、水などの業界で、高価で腐食の可能性がある多様な物質を輸送します。パイプラインへの汚染物の流入や漏れあるいは盗難により壊滅的な問題が発生し得ます。パイプラインの監視はパイプラインに沿ったファイバーの温度と歪みを測定することで実現されます。ダムや堤防も同様に監視できます。ファイバーの温度や歪みまたは光反射特性の著しい変化があれば、漏れが疑われます。温度変化は漏れやタップを示し、歪みは予期されない動きによる破断のリスクを示し、従来の光反射によるレイリー散乱 OTDR 分析を用いて問題位置を 1m 以内の精度で特定できます。ラックマウント型 OTDR 監視ソリューションで歪み、温度、および光反射用の統合光インテロゲーションを使用して、パイプラインに接続したファイバーセンサを連続監視できます。光ファイバーセンサは正確な検出を行うことで、迅速にシャットダウン、検査、修理を行うことができます。

Pipeline leak detection possible with a fiber sensor

送電線ホットスポットの検出:

送電プラントでの電気ホットスポットは致命的な火災リスクおよびインフラ損害を引き起こします。その最近の例としては、米国カリフォルニア州で起きた電気ホットスポットまたは送電線の垂れ下がりによる森林火災の発火があります。人の命と家財が失われ、電力会社は訴訟や倒産に直面しています。

DTS 使用によるリモートファイバーセンシングがそのような問題の経済的な監視の唯一の方法で、そのような破滅的な結果のコストに比べはるかに低コストです。送電線をリモート監視するために送電線に沿ってファイバーを取り付けます。光ファイバーセンサシステムが温度上昇や送電線の垂れ下がりを示す歪みや曲がりを検出すると、警告が発せられます。レイリー OTDR 分析と併用すると、基準トレースを一定の定期トレースと比較することで、ファイバー位置の徐々のまたは急な移動があった場合にその正確な位置を特定できます。警告により、緊急電力遮断を引き起こし、送電線の調査を開始できます。光ファイバーセンサを用いたファイバー分析は EMI の影響を受けないため、この EMI の高い環境に最適なソースです。

Hotspots and leakage

 

ファイバーセンシングファイバーテストファイバー監視の詳細を見る。

製品

ONMSi Remote Fiber Test System (RFTS)

ONMSi 遠隔ファイバーテストシステム(RFTS)

コア、メトロ、アクセス、および FTTH ネットワーク用の ONMSi 光ネットワーク管理システム

MTS-8000 プラットフォーム

MTS-8000 は、次世代高速ネットワークサービス展開 (40G および 100G) 用の世界で最もスケーラブルなテストプラットホームです。これは、物理、光、およびトランスポート/イーサネットのテスト機能を備えたマルチアプリケーションプラットフォームです。
Fiber Test Head (FTH-9000)

FTH-9000

OTDR およびスイッチオプションを備えた遠隔ファイバーテスト用の適応型ファイバーテストヘッド(FTH)FTH-9000
DTSS on the T-BERD/MTS-8000 platform

DTSS B-OTDR for T-BERD/MTS-8000 Platform

The portable DTSS on the T-BERD/MTS-8000 platform brings new DTSS technology to the field in a uniquely portable and high powered combination. This product can also be provided in a rack-mounted optical test unit within an OTU-8000 to be combined with ONMSi for a permanent fiber monitoring solution.
OTU-8000 Optical Test Unit

OTU-8000 OTDR テストシステム

従来方式の OTDR トレースと DTS および DTSS(Distributed Temperature and Strain、温度・ひずみ分散)測定を行うために広範な OTDR モジュールを提供するモジュール式ラック装着型自動 OTDR テスト装置を使用して光ネットワークの監視を自動化します。

What Type of Fiber Optic Sensing Interrogators Does VIAVI Offer?

The VIAVI fiber sensing portfolio includes:

  • DTS (Distributed Temperature Sensing) based on Raman OTDR technology
  • DTSS (Distributed Temperature and Strain Sensing) based on Brillouin OTDR technology

What is a Fiber Optic Strain Sensor?

A Fiber Optic Strain Sensor, also known as an optical strain gauge, is an optical fiber used to detect or sense strain through a process known as distributed strain sensing using a specialized OTDR (Optical Time Domain Reflectometer). These sensors are used to measure light changes in the sensor to detect strain on a fiber as areas along the glass fiber stretch producing changes to the glass until it will eventually break under excessive strain. Unlike traditional electrical strain gauges, a passive fiber optic strain sensor does not require constant electrification and is immune to electro-magnetic interference, which is experienced as noise in an electrical strain gauge system. Such noise can render measurements unreadable.

Due to this advantage, they are less expensive to operate and can be used in many harsh physical environments as reliable measurement devices with extraordinary sensitivity to strain change. Detect strain by transmitting a light pulse down the fiber to measure the strain on the glass. These types of measurements can be taken periodically with a portable DTSS (Distributed Temperature and Strain Sensor) OTDR during a field measurement trip or in an automated routine using a permanent, rack-mounted DTSS OTDR. The optical fiber is light weight, inexpensive and thorough coverage can be achieved by attaching the fiber to the device under test in multiple locations.

A fiber optic strain sensor can be used to sense strain in diverse locations such as along a pipeline, on a telecommunications cable, in the earth, along a bridge, or large windmill to secure infrastructure, human life, and prevent environmental damage. All sound measurement processes will establish a baseline of strain upon installation of the fiber optic strain sensor and measure change over time, allowing an automatic alarm to trigger notification of risk should a specified tolerance threshold be breached.

How Can Infrastructure Be Inspected Periodically?

Using a portable, such as the VIAVI T-BERD/MTS-8000 platform with a DTS or DTSS module, a technician can go out into the field and conduct field measurements on fibers. Alternatively, using ONMSi and a rack-mounted OTU (Optical Test Unit) with a DTS or a DTSS monitors fibers using periodic traces that are set to alarm if there is a change from the beginning reference trace.

What are the Economic Benefits of Using Distributed Fiber Optic Sensors Over Traditional Electro-Mechanical Sensors?

Fiber optic sensors are much less expensive and less labor intensive to install and utilize as a data point rich source. The fibers in the cable make up the distributed sensor and this material is inexpensive, lightweight and easy to attach or embed to an object under test.

Fibers are highly-reliable distributed sensors that do not require constant electrical current to produce data, and they are immune to electro-magnetic and radio-frequency interference. Historically, heavy, wired, electrified sensors that are labor intensive to install have been the main data source for obtaining strain or temperature data.

Electro-mechanical sensors can fall off, be intrusive and cost prohibitive and they require a power source. In locations where power is not readily available or, corrosion, vibration or EMI is a problem, they are not practical. Electrical and radio noise ingress or egress distorts their measurement data. A bridge that needs safety monitoring is a prime candidate for cost-effective fiber optic sensor monitoring, in which the fibers can be embedded or retro-actively attached to the bridge to detect strain and risk of failure before the bridge actually fails. As long as the fiber is not bent excessively, the fiber can be installed in a sine wave shape to allow for more data points across a surface. An OTDR can detect micro and macro bends and can be used to optimize the fiber strain and bends at the installation of the fiber sensor if a slightly strained fiber is required in the application.

What Advantages and Data Types can be Obtained from Fiber Optic Sensors?

Fiber optic sensors can provide multiple types of data through optical time domain reflectometry (OTDR) including data on the acoustics, strain, temperature and light transmission properties that indicate movement, or bends and breaks in the fiber. This data can be provided across the entire length of the fiber(s) instead of being limited to discrete and intermittently placed sensor sites. For example, using an OTDR to measure these items will reveal where the temperature changes by gradient across a long fiber span. One can also see where strain in the form of fiber elongation begins and ends. In telecommunications, strain needs to be avoided and thus measuring this protects the network and allows proactive cable strain mitigation and repair. If one wants to monitor a bridge, the strain on the fiber sensor can indicate movement of the bridge such as sagging, sinking or stress caused by separation of the bridge plates.

Consider measuring temperature throughout a building that requires a very specific temperature range, such as a data center, nuclear plant, or blood bank storage facility. Traditional electrified thermostatic sensors are placed in several locations and take periodic discrete point readings. Electronic temperature sensors are expensive and requires constant electrification. What happens when the location is missing a sensor or the sensor fails due to power loss, temperature extremes, or EMI interference? The temperature is not optimally regulated creating a hot or a cold spot. A fiber optic sensor net in the form of one or more fiber cables can be run throughout the building to obtain readings across continuous locations. The fiber net can provide more data points for better coverage at a lower cost with higher reliability. A pulse of light emitted by a laser OTDR is all that is required to interrogate the fiber sensor and the device can be powered by a battery in case of a power outage for more than a day.

 

What are some game-changing applications of fiber optic sensors?

Data and Telecommunications Fiber Cable Monitoring:

Communications cables are placed all over the world in rugged, inhospitable subterranean, submarine and aerial environments where ice, wind, earth movement/erosion, waves, vandalism, and human error constantly strain or break the cables, causing both service outages and service degradation. Cables are sometimes strained accidentally during installation. Once excessively strained, the cable is at risk of breaking and the lifespan of the cable is dramatically reduced from 35-40 years to potentially just months.

Fiber Optic Sensors

Fiber Optic Sensors

Long-haul and submarine cables are mission critical but are difficult to service in inclement weather or remote, dangerous terrain. Distributed strain sensing with a fiber optic sensor will allow a network cable owner to test the fiber at installation, and then monitor a dark fiber for excessive strain risk and changes in strain while in service to mitigate breakage. Mauritania recently experienced a break in the submarine cable that disconnected the entire network from the internet for two days. This was caused when a trawler lifted the African Coast to Europe cable off the sea floor and broke it. Had this cable been monitored for strain, an alarm would have triggered as the cable was being pulled before it broke. If it did end up breaking, a classic Rayleigh OTDR could have located the break within one meter, thus reducing the outage time.

Consider an aerial cable bearing an excessive ice load. The network operator can monitor the cables and locate network segments where staff should perform ice removal to prevent excessive strain. After a strain event has occurred, the cable can be tested against MAT tolerance measurements to be prioritized for replacement. Both portable DTSS fiber optic sensor OTDRs and rack-mounted fiber interrogation OTDRs are available. 

Broken aerial cable preventable with fiber optic sensors

Communication Cable Repair and Insurance Coverage Chargeback: 

The most common cause of cable breakage is due to construction digging, aka backhoe attenuation. Often when the break is located, the cable is spliced or connectorized at the break location. However, this may only resolve the problem temporarily because the strain has damaged many meters of cable on both sides of the break when the backhoe pulled the cable out of the ground.

Backhoe repairing broken cable

The cable may break again as it is re-installed or become so degraded that it is too damaged to provide adequate service. Repeat repairs are expensive and cause additional service outages. By taking distributed strain measurements with a fiber optic sensor OTDR in both directions up and down the cable when the break occurs, the technician can provide scientific evidence to demonstrate precisely which section(s) of cable should be replaced. This evidence can be used to charge the responsible party for the cost of the damage. It prevents further repeat repair dispatches and service disruption to customers as well as unnecessary repairs on good cable sections that have not experienced strain damage.

Pipeline or Dam Leak Detection:

Pipelines carry all types of expensive and potentially caustic materials in the oil, chemical, food, waste and water industries. A spill, leak that causes contamination into the pipeline, or theft can cause catastrophic problems. Pipeline monitoring is accomplished by measuring fibers for temperature and strain along the pipeline. Likewise, a dam or dike can be monitored similarly. A leak is suspected if there is a dramatic change in temperature, or the strain or light reflectance properties of the fiber. Temperature can be indicative of a leak or tap, strain is indicative of risk of breakage due to unexpected movement, and the problem can be located within a meter by using classic light reflectance Rayleigh scattering OTDR analysis. A combination optical interrogator, for strain, temperature and light reflectance can be used in a rack-mounted OTDR monitoring solution to continually monitor the fiber sensors attached to the pipeline. Fiber optic sensors provide accurate detection allowing shutdown, inspection, and repairs to be done quickly.

Pipeline leak detection possible with a fiber sensor

Powerline Hot Spot Detection:

Electrical hot spots on power transmission plants cause life-threatening fire risk and infrastructure damage. A recent example may have happened in California, USA when an electrical hot spot or downed electric cable may have ignited a forest fire. Lives and property were lost and now the utility is facing lawsuits and bankruptcy.

Remote fiber sensing using distributed temperature sensing (DTS) is the only economical way to monitor such problems and is much less expensive than the cost of such a catastrophic event. A fiber is placed along the transmission line to remotely monitor the line. An alarm is triggered when the fiber optic sensor system detects a rise in temperature, a strain or bend that can indicate a line fall. By pairing it with Rayleigh OTDR analysis, a precise location can be determined when there is either a gradual or abrupt shift in the fiber position by comparing a reference trace to a constant, periodic trace. The alarm can trigger an emergency power shutdown and investigation of the transmission lines. Because the fiber analysis using a fiber optic sensor is immune to EMI, it is the ideal source of data in this high EMI environment.

Hotspots and leakage

 

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