Ultrahøjhastigheds optisk fibersensor muliggør påvisning af strukturelle skader i realtid

En forskergruppe, der omfatter medlemmer fra Tokyo Institute of Technology og Japan Society for Promotion of Science, har udviklet et fiberoptisk distribueret sensingsystem i realtid for belastning og temperatur. Systemet kræver lysindsprøjtning fra kun den ene ende af fiberen og kan opnå en samplingshastighed på 100 kHz, en forbedring på over 5, 000 gange den konventionelle sats.

Ældningsforringelse og seismisk skade på civil infrastruktur udgør et alvorligt problem for samfundet. En lovende teknologi til overvågning af strukturenes tilstand er optisk fiberføling. Ved at indlejre lange optiske fibre i en struktur, spændings- og temperaturfordelinger langs fibrene kan påvises. Blandt de forskellige typer optiske fibersensorer, fordelte belastnings- og temperatursensorer baseret på Brillouin -spredning har fået stor opmærksomhed på grund af deres høje følsomhed og stabilitet. I særdeleshed, Brillouin optisk korrelationsdomæne reflektometri (BOCDR), som fungerer baseret på korrelationskontrol af kontinuerlige lysbølger, er kendt for at være en iboende one-end-access distribueret sanseteknik med høj rumlig opløsning ( <1 cm). Imidlertid, den højeste samplingshastighed rapporteret for BOCDR var 19 Hz, resulterer i en relativt lang samlet tid for distribueret måling (fra flere titalls sekunder til flere minutter). Søger at løse denne mangel, forskere Yosuke Mizuno og Kentaro Nakamura fra Tokyo Institute of Technology, Neisei Hayashi, et Japan Society for Promotion of Science fellow fra University of Tokyo, og deres samarbejdspartnere for nylig lykkedes det at øge samplingshastigheden for BOCDR til 100 kHz, over 5000 gange den tidligere sats, muliggør distribueret måling i realtid. Deres undersøgelse er offentliggjort i december 2016 -udgaven af Lys:Videnskab og applikationer .

I alle Brillouin -sensorer, belastningen og temperaturafhængigheden af ​​Brillouin -frekvensskiftet (BFS) udnyttes til at udlede stamme og temperatur. I konventionel BOCDR, BFS opnås ved at udføre et frekvensfejl over hele Brillouin gain -spektret (BGS) ved hjælp af en elektrisk spektrumanalysator. Dermed, sweep-hastigheden af ​​spektrumanalysatoren begrænser samplingshastigheden til 19 Hz. Ved i stedet at feje frekvensspektret ved hjælp af en spændingsstyret oscillator, forskerne var i stand til at opnå en højere hastighed erhvervelse (fig. 1 (a)). Imidlertid, at udlede BFS fra BGS begrænsede stadig prøvetagningshastigheden. For at fremskynde systemet yderligere, BGS blev konverteret til en synkron sinusformet bølgeform ved hjælp af et båndpasfilter, tillader BFS at blive udtrykt som dens faseforsinkelse. Derefter, ved hjælp af en eksklusiv-ELLER logisk gate og et lavpasfilter, faseforsinkelsen blev efterfølgende omdannet til en spænding, som blev målt direkte (fig. 1 (b)).

En stamme-samplingshastighed på op til 100 kHz blev eksperimentelt verificeret ved at detektere en 1-kHz dynamisk stamme påført ved en vilkårlig position langs fiberen. Når distribuerede målinger blev udført på 100 punkter med 10 gange gennemsnit, en gentagelseshastighed på 100 Hz blev verificeret ved at spore en mekanisk bølge, der formerer sig langs fiberen (fig. 2). Dermed, forskerne var de første til at opnå en-end-adgang i realtid distribueret Brillouin-sansning. En videodemonstration af systemet er tilgængelig online.

Sensorsystemet forventes at være til gavn for overvågning af sundheden for forskellige strukturer, lige fra bygninger og broer til vindmøllevinger og flyvinger. Systemet har også potentielle applikationer inden for robotik, fungerer som elektroniske "nerver" til at detektere berøring, forvrængning, og temperaturændring.