I dag, det finns ett stort intresse för att använda distribuerade sensorer för att kontinuerligt övervaka den strukturella hälsan hos stora strukturer som dammar eller broar. Med 1 miljon avkänningspunkter, en nyutvecklad fiberoptisk distribuerad sensor skulle kunna erbjuda betydligt snabbare upptäckt av strukturella problem än vad som är tillgängligt för närvarande.

"Med fiberbaserade sensorer, det är möjligt att exakt detektera erosion eller sprickbildning innan en damm går sönder, till exempel, " sa Alejandro Dominguez-Lopez från University of Alcala (UAH) i Spanien, från forskargruppen som utvecklade den nya sensorn. "Tidigare upptäckt av ett problem innebär att det kan vara möjligt att förhindra att det blir värre eller kan ge mer tid för evakuering."

Fiberoptiska distribuerade sensorer är idealiska för övervakning av infrastruktur eftersom de kan användas i tuffa miljöer och i områden som saknar en närliggande strömförsörjning. Om en enda fiber placeras längs med en bro, till exempel, förändringar i strukturen vid någon av avkänningspunkterna längs den optiska fibern kommer att orsaka detekterbara förändringar i ljuset som färdas nedför fibern. Även om populariteten för fiberoptiska distribuerade sensorer växer, de används idag främst för att upptäcka läckor i oljeledningar och för att övervaka jordskred längs järnvägar.

I tidskriften The Optical Society (OSA). Optik bokstäver , Dominguez-Lopez och hans kollegor från UAH och Swiss Federal Institute of Technology (EPFL) rapporterar den första fiberoptiska distribuerade sensorn som kan känna av spännings- och temperaturförändringar från 1 miljon avkänningspunkter över en 10 kilometer lång optisk fiber på mindre än 20 minuter. Anstränga, som är ett mått på deformation, anger hur mycket mekanisk påfrestning som är på ett föremål eller en struktur.

Den nya sensorn är cirka 4,5 gånger snabbare än tidigare rapporterade sensorer med 1 miljon avkänningspunkter. Även om det inte finns ett magiskt tal, fler avkänningspunkter innebär att färre fiberoptiska enheter behövs för att övervaka en hel struktur. Detta förenklar det övergripande avkänningssystemet och kan potentiellt minska kostnaderna.

"Eftersom vi har en så stor densitet av avkänningspunkter - en per centimeter - kan vår optimerade sensor också användas för övervakning i applikationer som flygelektronik och rymdfart, där det är viktigt att veta vad som händer i varje tum av en flygplansvinge, till exempel, sa Dominguez-Lopez.

Förbättra sensorprestanda

Den nya sensorn använder en metod som kallas Brillouin optisk tidsdomänanalys, vilket kräver pulsade och kontinuerliga våglasersignaler för att interagera. Forskarna upptäckte att den traditionella metoden att generera den kontinuerliga signalen orsakade förvrängningar i systemet vid högre lasereffekter. Dessa problem kan undvikas genom att ändra hur lasersignalen genererades, så att de kan öka lasereffekten och därmed förbättra avkänningsprestandan.

"De skadliga effekterna som vi studerade och korrigerade har påverkat prestandan hos kommersiellt tillgängliga Brillouin optiska tidsdomänsensorer under en tid, " sa Dominguez-Lopez. "Om tillverkare införlivar vår optimering i sina sensorer, det kan förbättra prestandan, särskilt när det gäller förvärvshastighet."

Med den nya metoden, forskarna visade att de kunde mäta temperaturen på en varm plats inom 3 grader Celsius från slutet av en 10 kilometer lång fiber.

Nya ansökningar framöver

Forskarna arbetar nu för att göra sensorn ännu snabbare genom att leta efter sätt att ytterligare minska inhämtningstiden. De vill också öka tätheten av avkänningspunkter till mer än en per centimeter, vilket skulle kunna göra det möjligt för tekniken att expandera till helt nya områden som biomedicinska tillämpningar.

De optiska fibrerna skulle också potentiellt kunna anpassas för användning i textilier, där sensorerna kan hjälpa till att övervaka en persons hälsa eller screena för sjukdomar. Till exempel, forskarna tror att det kan vara möjligt att använda de fiberoptiska sensorerna för att upptäcka temperaturavvikelser som finns vid bröstcancer. För denna typ av applikation, fler avkänningspunkter på ett mindre område skulle vara viktigare än att använda en särskilt lång fiber.

"I vår tidning, vi identifierade inte bara en stor begränsning av denna avkänningsteknik utan visade också ett sätt att övervinna den begränsningen, ", sa Dominguez-Lopez. "Den nya sensorn kan möjliggöra förbättrad strukturell övervakning och hjälpa till att flytta denna avkänningsteknik till spännande nya forskningsområden och tillämpningar."