ระบบตรวจวัดอุณหภูมิแบบกระจาย ( DTS ) เป็น อุปกรณ์ อิเล็กโทรออปติกที่วัดอุณหภูมิโดยใช้ใยแก้วนำแสง ซึ่ง ทำหน้าที่เป็นเซ็นเซอร์ เชิงเส้น อุณหภูมิจะถูกบันทึกตลอดแนวสายเคเบิลของเซ็นเซอร์แสง ดังนั้นจึงไม่ใช่ที่จุดใดจุดหนึ่ง แต่เป็นโปรไฟล์ต่อเนื่อง สามารถวัดอุณหภูมิได้อย่างแม่นยำสูงในระยะทางไกล โดยทั่วไประบบ DTS สามารถระบุตำแหน่งอุณหภูมิได้ที่ความละเอียดเชิงพื้นที่ 1 เมตร ด้วยความแม่นยำภายใน ±1 °C ที่ความละเอียด 0.01 °C สามารถตรวจสอบระยะการวัดได้มากกว่า 30 กิโลเมตร และระบบเฉพาะทางบางระบบสามารถให้ความละเอียดเชิงพื้นที่ที่แคบกว่านั้นได้ การเปลี่ยนแปลงทางความร้อนตามแนวใยแก้วนำแสงทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเฉพาะที่ในดัชนีหักเห ซึ่งนำไปสู่การกระเจิงแบบไม่ยืดหยุ่นของแสงที่แพร่ผ่าน ความร้อนจะถูกกักเก็บไว้ในรูปของการสั่นสะเทือนของโมเลกุลหรือโครงสร้างผลึกในวัสดุ การสั่นสะเทือนของโมเลกุลที่ความถี่สูง (10 THz) ทำให้เกิดการกระเจิงแบบรามาน การสั่นสะเทือนที่ความถี่ต่ำ (10–30 GHz) ทำให้เกิดการกระเจิงแบบบริลลูอิน มีการแลกเปลี่ยนพลังงานระหว่างแสงที่เดินทางผ่านเส้นใยกับตัววัสดุเอง ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความถี่ในแสงที่ตกกระทบ การเปลี่ยนแปลงความถี่นี้สามารถนำมาใช้ในการวัดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิตามเส้นใยได้^{[ 1 ]}

มิติการวัดทางกายภาพ เช่นอุณหภูมิความดันและ แรง ดึง สามารถส่งผลกระทบ ต่อเส้นใยแก้วและเปลี่ยนแปลงคุณลักษณะการส่งผ่านแสงในเส้นใยได้ในระดับเฉพาะจุด เนื่องจากการลดทอนของแสงในเส้นใยแก้วควอตซ์ผ่านการกระเจิงทำให้สามารถระบุตำแหน่งของผลกระทบทางกายภาพภายนอกได้ จึงสามารถใช้เส้นใยนำแสงเป็นเซ็นเซอร์เชิงเส้นได้

เส้นใยแก้วนำแสงทำจากแก้วควอตซ์เจือสาร แก้วควอตซ์เป็นรูปแบบหนึ่งของซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO₂ ₎ที่มีโครงสร้างของแข็งแบบอสัณฐาน ผลกระทบจากความร้อนทำให้เกิดการสั่นของโครงสร้างผลึกภายในของแข็ง เมื่อแสงตกกระทบลงบนการสั่นของโมเลกุลที่ถูกกระตุ้นด้วยความร้อนเหล่านี้ จะเกิดปฏิกิริยาระหว่างอนุภาคแสง ( โฟตอน ) กับอิเล็กตรอนของโมเลกุล การกระเจิงของแสง หรือที่เรียกว่าการกระเจิงแบบรามานเกิดขึ้นในเส้นใยแก้วนำแสง แตกต่างจากแสงตกกระทบ แสงที่กระเจิงนี้จะมีการเปลี่ยนแปลงสเปกตรัมในปริมาณที่เทียบเท่ากับความถี่เรโซแนนซ์ของการสั่นของโครงสร้างผลึก ดังนั้นแสงที่กระเจิงกลับจากเส้นใยแก้วนำแสงจึงประกอบด้วยส่วนสเปกตรัมที่แตกต่างกันสามส่วน:

• การกระเจิงแบบเรย์ลีห์ที่ความยาวคลื่นของแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ที่ใช้
• ส่วนประกอบ ของเส้นสโตกส์จากโฟตอนจะเลื่อนไปทางความยาวคลื่นที่ยาวขึ้น (ความถี่ต่ำลง) และ
• ส่วนประกอบของเส้นแอนติ-สโตกส์ที่มีโฟตอนเลื่อนไปทางความยาวคลื่นที่สั้นกว่า (ความถี่สูงกว่า) เมื่อเทียบกับการกระเจิงแบบเรย์ลี

ความเข้มของแถบแสงที่เรียกว่าแถบแอนติสโตกส์นั้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ในขณะที่แถบแสงที่เรียกว่าแถบสโตกส์นั้นแทบจะไม่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ อุณหภูมิเฉพาะที่ของใยแก้วนำแสงนั้นได้มาจากอัตราส่วนของความเข้มแสงแอนติสโตกส์และสโตกส์

มีหลักการวัดพื้นฐานสองประการสำหรับเทคโนโลยีการตรวจวัดแบบกระจาย ได้แก่OTDR (optical time-domain reflectometry) และOFDR (optical frequency-domain reflectometry) สำหรับการตรวจวัดอุณหภูมิแบบกระจาย มักจะใช้เทคโนโลยีการเชื่อมโยงรหัส ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}ซึ่งมีองค์ประกอบจากทั้งสองหลักการ

OTDR ถูกพัฒนาขึ้นเมื่อกว่า 20 ปีที่แล้ว และกลายเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับการวัดการสูญเสียในระบบโทรคมนาคม ซึ่งตรวจจับสัญญาณการกระเจิงย้อนกลับของเรย์ลี(Rayleigh backscattering signals) ซึ่งมีความโดดเด่นมากกว่าสัญญาณรามาน (Raman signal) หลักการของ OTDR นั้นค่อนข้างง่ายและคล้ายคลึงกับการวัดเวลาในการเดินทางของแสง (Time of Flight measurement) ที่ใช้ในเรดาร์ โดยพื้นฐานแล้ว พัลส์เลเซอร์แคบๆที่สร้างขึ้นโดยเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์หรือเลเซอร์โซลิดสเตทจะถูกส่งเข้าไปในใยแก้วนำแสง และแสงที่กระเจิงกลับมาจะถูกวิเคราะห์ จากเวลาที่แสงกระเจิงกลับมายังหน่วยตรวจจับ จะสามารถระบุตำแหน่งของเหตุการณ์อุณหภูมิได้

หน่วยประเมิน DTS ทางเลือกใช้ระเบียบวิธี Optical Frequency Domain Reflectometry ( OFDR ) ระบบ OFDR ให้ข้อมูลเกี่ยวกับลักษณะเฉพาะในพื้นที่เฉพาะเมื่อสัญญาณการกระเจิงย้อนกลับที่ตรวจพบในช่วงเวลาการวัดทั้งหมดถูกวัดเป็นฟังก์ชันของความถี่ในลักษณะที่ซับซ้อน จากนั้นจึงนำไปแปลงฟูริเยร์หลักการสำคัญของเทคโนโลยี OFDR คือโหมดคลื่นต่อเนื่องกึ่งคงที่ที่ใช้โดยเลเซอร์และการตรวจจับสัญญาณการกระเจิงย้อนกลับแบบแถบความถี่แคบ อย่างไรก็ตาม ข้อดีคือการวัดแสงกระเจิงแบบรามานทำได้ยากในทางเทคนิค และการประมวลผลสัญญาณค่อนข้างซับซ้อน เนื่องจาก การคำนวณ FFTที่ต้องการความเป็นเส้นตรงสูงสำหรับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์

เทคโนโลยี Code Correlation DTS ส่งลำดับการเปิด/ปิดที่มีความยาวจำกัดเข้าไปในใยแก้วนำแสง โดยเลือกโค้ดที่มีคุณสมบัติเหมาะสม เช่นโค้ดไบนารี Golayแตกต่างจากเทคโนโลยี OTDR ตรงที่พลังงานแสงจะกระจายไปตามโค้ดแทนที่จะรวมอยู่ในพัลส์เดียว ดังนั้นจึงสามารถใช้แหล่งกำเนิดแสงที่มีกำลังสูงสุดต่ำกว่าเทคโนโลยี OTDR ได้ เช่น เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ขนาดกะทัดรัดที่มีอายุการใช้งานยาวนาน สัญญาณสะท้อนกลับที่ตรวจพบจะต้องถูกแปลงกลับเป็นโปรไฟล์เชิงพื้นที่อีกครั้ง คล้ายกับเทคโนโลยี OFDR เช่น โดยการหาความสัมพันธ์ร่วม (cross-correlation ) แตกต่างจากเทคโนโลยี OFDR ตรงที่การปล่อยสัญญาณมีขอบเขตจำกัด (เช่น 128 บิต) ซึ่งช่วยหลีกเลี่ยงไม่ให้สัญญาณสะท้อนอ่อนๆ จากระยะไกลถูกซ้อนทับด้วยสัญญาณสะท้อนแรงๆ จากระยะใกล้ ทำให้ลดสัญญาณรบกวนแบบ Shot noiseและปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนได้ดีขึ้น

ด้วยเทคนิคเหล่านี้ ทำให้สามารถวิเคราะห์ระยะทางที่มากกว่า 30 กิโลเมตรจากระบบหนึ่งไปยังอีกระบบหนึ่ง และวัดอุณหภูมิด้วยความละเอียดที่น้อยกว่า 0.01 องศาเซลเซียสได้

ระบบวัดอุณหภูมิประกอบด้วยตัวควบคุม ( แหล่งกำเนิด เลเซอร์ , เครื่องกำเนิดพัลส์สำหรับ OTDR หรือเครื่องกำเนิดรหัสสำหรับ Code Correlation หรือตัวปรับสัญญาณและ ตัวผสม HFสำหรับ OFDR, โมดูลออปติคอล, ตัวรับ และหน่วยประมวลผลไมโครโปรเซสเซอร์) และใยแก้วควอตซ์ เป็น เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิแบบเส้น สายเคเบิลใยแก้วนำแสง (สามารถยาวได้ถึง 70 กม. ^{[ 5 ]} ) มีลักษณะเป็นแบบพาสซีฟและไม่มีจุดตรวจจับแต่ละจุด ดังนั้นจึงสามารถผลิตได้โดยใช้ใยแก้วนำแสงโทรคมนาคมมาตรฐาน ซึ่งให้ประโยชน์ด้านต้นทุนที่ดีเยี่ยม เนื่องจากผู้ออกแบบ/ผู้รวมระบบไม่ต้องกังวลเกี่ยวกับตำแหน่งที่แน่นอนของจุดตรวจจับแต่ละจุด ต้นทุนในการออกแบบและติดตั้งระบบตรวจจับโดยใช้เซ็นเซอร์ใยแก้วนำแสงแบบกระจายจึงลดลงอย่างมากเมื่อเทียบกับเซ็นเซอร์แบบดั้งเดิม นอกจากนี้ เนื่องจากสายเคเบิลตรวจจับไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวและมีอายุการใช้งานที่ออกแบบไว้มากกว่า 30 ปี ต้นทุนในการบำรุงรักษาและการดำเนินงานจึงน้อยกว่าเซ็นเซอร์แบบดั้งเดิมอย่างมาก ข้อดีเพิ่มเติมของเทคโนโลยีเซ็นเซอร์ใยแก้วนำแสงคือ ทนทานต่อการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าการสั่นสะเทือนและปลอดภัยสำหรับการใช้งานในพื้นที่อันตราย (กำลังของเลเซอร์ต่ำกว่าระดับที่สามารถก่อให้เกิดการจุดติดไฟได้) ทำให้เซ็นเซอร์เหล่านี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในงานตรวจวัดทางอุตสาหกรรม

ในส่วนของการสร้างสายเคเบิลตรวจวัด แม้ว่าจะใช้ใยแก้วนำแสง มาตรฐาน แต่ก็ต้องระมัดระวังในการออกแบบสายเคเบิลตรวจวัดแต่ละเส้นเพื่อให้แน่ใจว่ามีการป้องกันใยแก้วนำแสงอย่างเพียงพอ ซึ่งต้องคำนึงถึงอุณหภูมิในการทำงาน (สายเคเบิลมาตรฐานทำงานได้ถึง 85 °C แต่สามารถวัดได้ถึง 700 °C ด้วยการออกแบบที่ถูกต้อง) สภาพแวดล้อมทางก๊าซ ( ไฮโดรเจนสามารถทำให้การวัดเสื่อมคุณภาพลงได้เนื่องจาก " การเปลี่ยนสีเนื่องจากไฮโดรเจน " หรือการลดทอนสัญญาณของสารประกอบแก้วซิลิกา) และการป้องกันทางกล

ระบบ DTS ส่วนใหญ่ที่มีอยู่ในปัจจุบันมีสถาปัตยกรรมระบบที่ยืดหยุ่นและค่อนข้างง่ายต่อการบูรณาการเข้ากับระบบควบคุมอุตสาหกรรม เช่นSCADAในอุตสาหกรรมน้ำมันและก๊าซ ได้มีการพัฒนา ระบบมาตรฐานไฟล์XML ( WITSML ) สำหรับการถ่ายโอนข้อมูลจากอุปกรณ์ DTS โดยมาตรฐานนี้ได้รับการดูแลโดย Energistics

ในการใช้งานระบบที่ใช้การวัดทางแสง เช่น ระบบ DTS ทางแสงจำเป็นต้องพิจารณาข้อกำหนดด้านความปลอดภัยของเลเซอร์ สำหรับการติดตั้งถาวร ระบบหลายระบบใช้เลเซอร์กำลังต่ำ เช่น ระบบที่มีการจัดประเภท ความปลอดภัยของเลเซอร์เป็นระดับ 1Mซึ่งใครๆ ก็สามารถใช้งานได้ (ไม่จำเป็นต้องมีเจ้าหน้าที่ความปลอดภัยด้านเลเซอร์ที่ได้รับการรับรอง) บางระบบใช้เลเซอร์กำลังสูงกว่าที่มีระดับ 3Bซึ่งแม้จะปลอดภัยสำหรับการใช้งานโดยเจ้าหน้าที่ความปลอดภัยด้านเลเซอร์ที่ได้รับการรับรอง แต่ก็อาจไม่เหมาะสมสำหรับการติดตั้งถาวร

ข้อดีของเทคโนโลยีเซ็นเซอร์แสงแบบพาสซีฟโดยสมบูรณ์คือไม่มีการรบกวนทางไฟฟ้าหรือแม่เหล็กไฟฟ้า ระบบ DTS บางระบบในท้องตลาดใช้การออกแบบที่ใช้พลังงานต่ำเป็นพิเศษและมีความปลอดภัยโดยธรรมชาติในสภาพแวดล้อมที่อาจเกิดการระเบิดได้ เช่น ได้รับการรับรองตามข้อกำหนด ATEXโซน 0

สำหรับการใช้งานในการตรวจจับอัคคีภัย โดยทั่วไปแล้วกฎระเบียบจะกำหนดให้ต้องใช้ระบบที่ได้รับการรับรองตามมาตรฐานที่เกี่ยวข้อง เช่นEN 54 -5 หรือEN 54 -22 (ยุโรป), UL521 หรือ FM (สหรัฐอเมริกา), cUL521 (แคนาดา) และ/หรือมาตรฐานระดับชาติหรือระดับท้องถิ่นอื่นๆ

การกระจายอุณหภูมิสามารถใช้ในการพัฒนารูปแบบตามวิธีการแยกองค์ประกอบเชิงตั้งฉากที่เหมาะสมหรือการวิเคราะห์องค์ประกอบหลักซึ่งช่วยให้สามารถสร้างการกระจายอุณหภูมิขึ้นใหม่ได้โดยการวัดเฉพาะในตำแหน่งเชิงพื้นที่เพียงไม่กี่แห่ง ^{[ 6 ]}

ระบบตรวจวัดอุณหภูมิแบบกระจายสามารถนำไปใช้งานได้อย่างประสบความสำเร็จในหลายภาคอุตสาหกรรม:

• การผลิตน้ำมันและก๊าซ—การตรวจสอบใต้ดินแบบถาวร ระบบแทรกแซงที่ติดตั้งโดยใช้ท่อขดและระบบแทรกแซงที่ติดตั้งโดยใช้สายเคเบิลใยแก้วนำแสงแบบเรียบ
• การตรวจสอบสายไฟและสายส่งไฟฟ้า ( การเพิ่มประสิทธิภาพความสามารถ ในการรับกระแสไฟฟ้า )
• การตรวจจับไฟไหม้ในอุโมงค์^{[ 7 ]}สายพานลำเลียงอุตสาหกรรมและอาคารอันตรายพิเศษ
• การเฝ้าระวังเตาเหนี่ยวนำอุตสาหกรรม
• ความสมบูรณ์ของเรือบรรทุกและท่าเทียบเรือก๊าซธรรมชาติเหลว (LNG)
• การตรวจจับการรั่วไหลที่คันกั้นน้ำและเขื่อน
• การตรวจสอบอุณหภูมิในงานวิศวกรรมโรงงานและกระบวนการผลิต รวมถึงท่อส่งต่างๆ
• ถังและภาชนะเก็บ

เมื่อไม่นานมานี้ DTS ยังถูกนำไปประยุกต์ใช้ในการเฝ้าระวังด้านสิ่งแวดล้อมอีกด้วย:

• อุณหภูมิของลำธาร
• การตรวจหาแหล่งน้ำใต้ดินและการกัดเซาะและการสะสมของตะกอน
• แผนภูมิแสดงอุณหภูมิภายในปล่องเหมือง รวมถึงเหนือทะเลสาบและธารน้ำแข็ง
• อุณหภูมิแวดล้อมในป่าฝนลึกที่ความหนาแน่นของพืชพรรณต่าง ๆ
• แผนภูมิแสดงอุณหภูมิภายในเหมืองใต้ดิน ประเทศออสเตรเลีย
• กราฟแสดงอุณหภูมิในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบวงจรใต้ดิน (ใช้สำหรับระบบทำความร้อนและทำความเย็นที่เชื่อมต่อกับพื้นดิน)

• การตรวจจับเสียงแบบกระจาย
• ตะแกรงไฟเบอร์แบร็ก
• เซ็นเซอร์ใยแก้วนำแสง
• เครื่องวัดการสะท้อนแสงในโดเมนเวลา
• การบันทึกข้อมูลบ่อ
• วิทส์เอ็มแอล