Yeni dağıtılmış fiber optik sensör: köprü yapısı sorunlarını hızla tespit edebilir!
Kılavuz
Optik fiber genellikle bilgi iletişimi için kullanılır. Ancak köprü, baraj gibi binalardaki yapısal sorunları hızlı bir şekilde izlemek için sensör olarak da kullanılabileceğini düşünmeyebilirsiniz. Son zamanlarda, İsviçre ve İspanya'daki araştırmacılar, 1 milyon noktada sıcaklık değişikliklerini veya gerilmeleri algılayabilen, 10 kilometre uzunluğunda dağıtılmış bir fiber optik sensör sistemi geliştirdiler.
Anahtar kelime
Fiber Optik Sensör
arka fon
Optik fiber, kısaca ifade etmek gerekirse, genellikle ışığı iletebilen ve genellikle uzun mesafeli optik iletişim sistemlerinde kullanılan cam veya plastikten yapılmış bir fiberdir.
Herkesin sezgisel bir anlayışa sahip olması için, fiber optik kabloyu aşağıdaki iki resimle gösterin:
(Resim kaynağı: Wikipedia)
(Resim kaynağı: Wikipedia)
Optik fiber, optik iletim ve bilgi iletişimi için yaygın olarak kullanılır ve özellikle uzun mesafeli iletişim için uygundur, ancak ek olarak, optik fiberin başka bir amacı vardır: sensör .
Optik fiberlerin neden algılama işlevleri vardır?
Nedeni basittir.Öncelikle optik fiber, ışık dalgalarının bir iletim ortamıdır.Optik fiberlerde ışık dalgaları iletildiğinde, dış faktörlerin (sıcaklık, basınç, gerilim, titreşim, ses, manyetik alan vb.) Etkisiyle, ışık dalgalarının optik özelliklerinin (genlik, faz, Polarizasyon durumu, dalga boyu vb.) Buna göre değişecektir. Bu şekilde, optik fiber, çeşitli harici değişiklikleri ölçmek ve tespit etmek için bir sensör olarak kullanılabilir.
Örneğin John, insan sağlığını izlemek için solunum gazını yürütmek ve analiz etmek için içi boş optik fiberler kullanan yeni bir Japon sağlık teknolojisini tanıttı.
(Resim kaynağı: Northeastern Üniversitesi)
Yenilikçilik
Bu yüzden bugün, John size fiber optik sensörlerle ilgili yenilikçi bir teknolojiyi tanıtacak.
Bu, 10 kilometreye kadar sıcaklık değişikliklerini ve gerilme koşullarını, 1 milyon algılama noktası ve 1 cm yoğunluğa kadar algılayabilen, dağıtılmış bir fiber optik sensör sistemidir.
Sözde gerinim, bir nesnenin bir kısmının, dış kuvvetlerin ve tek tip olmayan sıcaklık alanlarının etkisi altında göreli deformasyonuna atıfta bulunur ve nesne veya yapı üzerinde ne kadar harici mekanik gerilimin etkili olduğunu gösterir.
Bu izleme sürekli ve hızlıdır ve veri toplama süresi 20 dakikadan azdır. Ek olarak, daha fazla algılama noktası vardır, bu da tüm yapıyı algılamak için daha az fiber biriminin kullanılması anlamına gelir, bu da sistemi basitleştirir ve maliyetleri düşürür.
Bu teknoloji, İspanya'daki Alcala Üniversitesi ve İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü'nden araştırmacılar tarafından ortaklaşa geliştirildi. Ana araştırmacılar Alejandro Dominguez-Lopez ve diğerleri. Bu araştırmanın raporu, Optical Association of America (OSA) dergisi "Optics Letters" da yayınlandı.
teknoloji
Sonra, bu teknolojiye teknik açıdan bakın. Öncelikle, araştırmacılar tarafından kullanılan deneysel cihazın şematik diyagramına kısa bir göz atalım:
.
(Resim kaynağı: Referans malzemeleri [2])
Bu resmi anlamak için, ilgili cihazları kısaca açıklayın: lazer diyot (LD), elektro-optik modülatör (EOM), keyfi dalga formu üreteci (AWG), erbiyum katkılı fiber amplifikatör (EDFA), değişken optik zayıflatıcı (VOA), polarizasyon durumu sentezleyici (P.Synth), elektrik anahtarı (ES), polarizasyon anahtarı (PS), FUT (fiber testi).
Ardından, çok önemli bir fiziksel kavramı tanıtacağım: Brillouin saçılması .
Brillouin saçılımı 1922'de Fransız fizikçi ve matematikçi Brillouin tarafından önerildi. Gazlarda, sıvılarda ve katılarda akustik titreşimleri incelemek için kullanılır, ancak pratik bir araştırma yöntemi olarak sadece lazerlerin ortaya çıkmasından sonraydı. Gelişmiş.
Işık dalgalarının çoğu, optik fiberde ileri yönde yayılır, ancak optik fiberin amorf malzemesi mikroskobik boşlukta düzensiz bir yapıya sahip olduğu için ışığın küçük bir kısmı saçılır. Saçılma biçimlerinden biri ışık dalgaları olan Brillouin saçılmasıdır. Farklı koşullar altında, Brillouin saçılması, optik fiberde yayılan ses dalgası ile etkileşimin neden olduğu ışık saçılma sürecinde sırasıyla spontan saçılma ve uyarılmış saçılma olmak üzere iki şekilde ortaya çıkar.
Bu yeni sensör türü, esas olarak Brillouin saçılımına dayanan Brillouin optik zaman alanı analiz teknolojisini kullanır. Etkileşim için darbeli, sürekli dalga lazer sinyalleri gerektirir.
Araştırmacılar, geleneksel yöntemin sürekli bir sinyal üretebilmesine rağmen, ancak daha yüksek bir lazer gücünde sistemde bozulmaya neden olacağını buldular.
Bu sorunu önlemek istiyorsanız, lazer sinyallerinin üretilme şeklini değiştirerek lazer gücünü artırabilmeniz ve böylece sistem performansını artırmanız gerekir.
Cevap olarak Dominguez-Lopez şunları söyledi:
"Brillouin optik zaman etki alanı sensörlerinin ticari performansını etkileyen bu zararlı etkiyi inceledik ve düzelttik. Üreticiler optimizasyonumuzu sensörlerine entegre ederse, performanslarını, özellikle de edinme hızını önemli ölçüde artıracaktır."
uygulama
(Resim kaynağı: Duncan Rawlinson, Alejandro Dominguez-Lopez)
Her şeyden önce, bu tür bir fiber optik dağıtılmış sensör, köprülerin yapısının, petrol boru hattı sızıntılarının, demiryolu toprak kaymalarının vb. İzlenmesi gibi bina izleme için kullanılabilir. Bu teknolojinin en büyük avantajı, sadece zorlu ortamlarda kullanılabilmesi değil, sensörün kendisinin de harici güç kaynağı gerektirmemesi, dolayısıyla enerji kaynağının olmadığı yerlerde kullanılabilmesidir.
Sensör geliştiricisi Alejandro Dominguez-Lopez şu yorumu yaptı:
"Fiber bazlı sensörler, çökmeden önce barajın erozyonunu veya çatlamasını izleyebilir. Sorunların erken tespiti, durumun kötüye gitmesini önleyebileceği veya tahliye için daha fazla zaman sağlayabileceği anlamına gelir."
Ek olarak, 1 cm'ye kadar olan son derece yüksek algılama noktası yoğunluğu nedeniyle, bu tip sensör, örneğin uçak kanatlarının her bir inçinin durumunu algılamak için havacılıkta da kullanılabilir.
Araştırmacılar, sensör verilerinin alınmasını daha hızlı hale getirmenin yollarını arıyor ve böylece edinme süresini kısaltıyor. Ayrıca algılama noktalarının yoğunluğunu, orijinal yoğunluğu olan santimetrede 1'i aşacak şekilde artırmayı da düşünüyorlar.
Bu şekilde biyomedikal alanda uygulanması beklenmektedir. Örneğin, göğüs kanserindeki sıcaklık değişikliklerini tespit etmek için fiber optik sensörlerin kullanılması Bu tür bir uygulama için, fiberin uzunluğundan ziyade daha küçük bir alanda daha fazla algılama noktasına sahip olmak önemlidir.
Bu fiber optik sensör aynı zamanda giyilebilir cihazlarda ve akıllı kumaşlarda insan sağlığını tespit etmeye yardımcı olmak veya hastalık kararı için de kullanılabilir.
Referans
[1]
[2] A. Dominguez-Lopez, MA Soto, S. Martin-Lopez, L. Thevenaz, M. Gonzalez-Herraez "Optimize edilmiş diferansiyel zaman alanlı Brillouin sensöründe 1 milyon algılama noktasını çözümleme," Opt. Lett., Hacim 42, Sayı 10, 1903-1906 (2017). DOI: 10.1364 / OL.42.001903.
Değişimi daha fazla tartışması gereken arkadaşlar, lütfen yazarla doğrudan WeChat: JohnZh1984 üzerinden iletişime geçin veya WeChat genel hesabını izleyin: IntelligentThings.
