Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har visat att vanligt blått ljus kan användas för att avsevärt förbättra förmågan att se föremål som uppslukas av stora, icke-rökiga naturgasbränder-som de som används i laboratoriebrandstudier och tester vid brandbeständighet.

Som beskrivs i en ny artikel i tidskriften Brandteknik , NIST-blåljusmetoden kan vara ett användbart verktyg för att erhålla visuell data från stora testbränder där höga temperaturer kan inaktivera eller förstöra konventionella elektriska och mekaniska sensorer.

Metoden ger detaljerad information till forskare som använder optisk analys såsom digital bildkorrelation (DIC), en teknik som jämför på varandra följande bilder av ett föremål när det deformeras under påverkan av applicerade krafter som töjning eller värme. Genom att exakt mäta rörelsen för enskilda pixlar från en bild till nästa, forskare får värdefull insikt om hur materialet reagerar över tid, inklusive beteenden som belastning, förflyttning, deformation och till och med den mikroskopiska början av misslyckande.

Dock, Att använda DIC för att studera hur eld påverkar konstruktionsmaterial utgör en speciell utmaning:Hur får man bilder med den tydlighet som behövs för forskning när det är ljust, snabbt rörliga lågor finns mellan provet och kameran?

"Eld gör avbildning i det synliga spektrumet svårt på tre sätt, med signalen helt blockerad av sot och rök, döljas av intensiteten hos ljuset som släpps ut från lågorna, och förvrängd av de termiska gradienterna i den varma luften som böjer sig, eller bryta, ljus, " sa Matt Hoehler, en forskningskonstruktionsingenjör vid NIST:s National Fire Research Laboratory (NFRL) och en av författarna till den nya artikeln. "Eftersom vi ofta använder lågsot, rökfria gasbränder i våra tester, vi behövde bara övervinna problemen med ljusstyrka och distorsion."

Att göra det, Hoehler och kollegan Chris Smith, en forskningsingenjör tidigare med NIST och nu vid Berkshire Hathaway Specialty Insurance, lånat ett trick från glas- och stålindustrin där tillverkare övervakar materialens fysiska egenskaper under produktionen medan de fortfarande är varma och glödande.

"Glas- och ståltillverkare använder ofta blåljuslasrar för att kämpa mot det röda ljuset som avges av glödande heta material som kan, i huvudsak, blinda sina sensorer, "Sa Hoehler." Vi tänkte om det fungerar med uppvärmda material, det skulle kunna fungera med flammande sådana också."

Hoehler och Smith använde kommersiellt tillgängliga och billiga blå ljusdioder (LED) med en smalspektrumvåglängd runt 450 nanometer för sitt experiment.

Initialt, forskarna placerade ett målobjekt bakom den gasdrivna testbranden och belyste den på tre sätt:enbart med vitt ljus, av blått ljus riktat genom lågorna och av blått ljus med ett optiskt filter placerat framför kameran. Det tredje alternativet visade sig vara bäst, minska den observerade intensiteten av lågan med 10, 000-faldigt och ger mycket detaljerade bilder.

Dock, att bara se målet var inte tillräckligt för att få blåljusmetoden att fungera för DIC-analys, sa Hoehler. Forskarna var också tvungna att minska bildförvrängningen som orsakades av ljusets brytning av lågan - ett problem som liknar den "trasiga penna"-illusionen som ses när en penna placeras i ett glas vatten.

"Lyckligtvis, de beteenden vi vill att DIC ska avslöja, såsom töjning och deformation i en uppvärmd stålbalk, är långsamma processer i förhållande till den flaminducerade distorsionen, så vi behöver bara skaffa en massa bilder, samla in stora mängder data och matematiskt genomsnittliga mätningarna för att förbättra deras noggrannhet, "Förklarade Hoehler.

För att validera effektiviteten av deras föreställningsmetod, Höhler och Smith, tillsammans med de kanadensiska kollaboratörerna John Gales och Seth Gatien, tillämpade den på två storskaliga tester. Den första undersökte hur brand böjer stålbalkar och den andra tittade på vad som händer när partiell förbränning inträffar, gradvis förkolning av en träpanel. För båda, avbildningen förbättrades avsevärt.

"Faktiskt, vid förkolning av material, vi känner att blåljusbildning en dag kan hjälpa till att förbättra standardtestmetoder, ", sa Hoehler. "Med hjälp av blått ljus och optisk filtrering, vi kan faktiskt se förkolning som normalt är dold bakom lågorna i ett standardtest. Den tydligare vyn i kombination med digital bildbehandling förbättrar noggrannheten hos mätningar av rödingens plats i tid och rum. "

Hoehler har också varit involverad i utvecklingen av en andra metod för att avbilda objekt genom eld med kollegor på NIST:s Boulder, Colorado, laboratorier. I en kommande NIST-uppsats i tidskriften Optica , forskarna visar ett laserdetekterings- och intervallsystem (LADAR) för mätning av volymförändring och rörelse av 3D-objekt som smälter i lågor, även om måttliga mängder sot och rök.