En forskargrupp med medlemmar från Tokyo Institute of Technology och Japan Society for the Promotion of Science har utvecklat ett fiberoptiskt distribuerat avkänningssystem i realtid för belastning och temperatur. Systemet kräver lätt injektion från endast ena änden av fibern och kan uppnå en samplingshastighet på 100 kHz, en förbättring med över 5, 000 gånger den konventionella kursen.

Åldersförstöring och seismisk skada på den civila infrastrukturen utgör ett allvarligt problem för samhället. En lovande teknik för övervakning av strukturen är optisk fiberavkänning. Genom att bädda in långa optiska fibrer i en struktur, spännings- och temperaturfördelningar längs fibrerna kan detekteras. Bland de olika typerna av optiska fibergivare, distribuerade töjnings- och temperatursensorer baserade på Brillouin -spridning har fått mycket uppmärksamhet på grund av deras höga känslighet och stabilitet. Särskilt, Brillouin optisk korrelationsdomänreflektometri (BOCDR), som fungerar baserat på korrelationskontrollen av kontinuerliga ljusvågor, är känd för att vara en i princip en-end-access-distribuerad avkänningsteknik med hög rumslig upplösning ( <1 cm). Dock, den högsta samplingshastigheten som rapporterades för BOCDR var 19 Hz, vilket ger en relativt lång total tid för distribuerad mätning (från flera tiotals sekunder till flera minuter). Försöker lösa denna brist, forskarna Yosuke Mizuno och Kentaro Nakamura från Tokyo Institute of Technology, Neisei Hayashi, ett Japan Society for the Promotion of Science fellow från University of Tokyo, och deras medarbetare lyckades nyligen öka samplingshastigheten för BOCDR till 100 kHz, över 5000 gånger den tidigare kursen, möjliggör distribuerad mätning i realtid. Deras studie publiceras i december 2016 -numret av Ljus:Vetenskap och applikationer .

I alla Brillouin -sensorer, belastningen och temperaturberoendet för Brillouin -frekvensskiftet (BFS) utnyttjas för att härleda töjning och temperatur. I konventionell BOCDR, BFS erhålls genom att utföra ett frekvenssvep över hela Brillouin förstärkningsspektrum (BGS) med användning av en elektrisk spektrumanalysator. Således, frekvenshastigheten för spektrumanalysatorn begränsar samplingshastigheten till 19 Hz. Genom att istället sopa frekvensspektrumet med en spänningsstyrd oscillator, forskarna kunde uppnå ett förvärv med högre hastighet (Fig. 1 (a)). Dock, härledande av BFS från BGS begränsade fortfarande samplingshastigheten. För att påskynda systemet ytterligare, BGS omvandlades till en synkron sinusformad vågform med hjälp av ett bandpassfilter, så att BFS kan uttryckas som dess fasfördröjning. Sedan, med hjälp av en exklusiv ELLER-logikport och ett lågpassfilter, fasfördröjningen omvandlades därefter till en spänning, som mättes direkt (bild 1 (b)).

En stamprovtagningshastighet på upp till 100 kHz verifierades experimentellt genom att detektera en 1 kHz dynamisk stam applicerad vid en godtycklig position längs fibern. När fördelade mätningar utfördes vid 100 punkter med 10 gånger i genomsnitt, en repetitionshastighet på 100 Hz verifierades genom att spåra en mekanisk våg som förökade sig längs fibern (fig. 2). Således, forskarna var de första att uppnå en-end-access realtids distribuerad Brillouin-avkänning. En videodemonstration av systemet finns tillgänglig online.

Avkänningssystemet förväntas vara till nytta vid övervakning av hälsan hos olika strukturer, allt från byggnader och broar till väderkvarnblad och flygplansvingar. Systemet har också potentiella tillämpningar inom robotik, fungerar som elektroniska "nerver" för att upptäcka beröring, förvrängning, och temperaturförändring.