Een onderzoeksgroep met leden van het Tokyo Institute of Technology en de Japan Society for the Promotion of Science heeft een realtime gedistribueerd vezeloptisch detectiesysteem ontwikkeld voor spanning en temperatuur. Het systeem vereist lichtinjectie van slechts één uiteinde van de vezel en kan een bemonsteringsfrequentie van 100 kHz bereiken, een verbetering van meer dan 5, 000 keer het conventionele tarief.

Verouderde degradatie en seismische schade aan civiele infrastructuur vormen een ernstig probleem voor de samenleving. Een veelbelovende technologie voor het bewaken van de toestand van structuren is optische vezeldetectie. Door lange optische vezels in een structuur in te bedden, spannings- en temperatuurverdelingen langs de vezels kunnen worden gedetecteerd. Onder de verschillende soorten optische vezelsensoren, gedistribueerde rek- en temperatuursensoren op basis van Brillouin-verstrooiing hebben veel aandacht gekregen vanwege hun hoge gevoeligheid en stabiliteit. Vooral, Brillouin optische correlatie-domein reflectometrie (BOCDR), die werkt op basis van de correlatiecontrole van continue lichtgolven, staat bekend als een intrinsiek eenzijdige gedistribueerde detectietechniek met een hoge ruimtelijke resolutie ( <1cm). Echter, de hoogste bemonsteringsfrequentie gerapporteerd voor BOCDR was 19 Hz, wat resulteert in een relatief lange totale tijd van gedistribueerde metingen (van enkele tientallen seconden tot enkele minuten). Om deze tekortkoming op te lossen, onderzoekers Yosuke Mizuno en Kentaro Nakamura van het Tokyo Institute of Technology, Neisei Hayashi, een Japan Society for the Promotion of Science fellow van de Universiteit van Tokyo, en hun medewerkers zijn er onlangs in geslaagd om de bemonsteringsfrequentie van BOCDR te verhogen tot 100 kHz, meer dan 5000 keer het vorige tarief, waardoor realtime gedistribueerde metingen mogelijk zijn. Hun studie is gepubliceerd in het decembernummer van 2016 Licht:wetenschap en toepassingen .

In alle Brillouin-sensoren, de rek- en temperatuurafhankelijkheid van de Brillouin-frequentieverschuiving (BFS) wordt benut om rek en temperatuur af te leiden. In conventionele BOCDR, de BFS wordt verkregen door een frequentiezwaai uit te voeren over het hele Brillouin-versterkingsspectrum (BGS) met behulp van een elektrische spectrumanalysator. Dus, de zwaaisnelheid van de spectrumanalysator beperkt de bemonsteringsfrequentie tot 19 Hz. Door in plaats daarvan het frequentiespectrum te vegen met behulp van een spanningsgestuurde oscillator, de onderzoekers waren in staat om een ​​snellere acquisitie te bereiken (Fig. 1 (a)). Echter, het afleiden van de BFS uit de BGS beperkte nog steeds de bemonsteringsfrequentie. Om het systeem verder te versnellen, de BGS werd omgezet in een synchrone sinusvormige golfvorm met behulp van een banddoorlaatfilter, waardoor de BFS kan worden uitgedrukt als zijn fasevertraging. Vervolgens, met behulp van een exclusieve OF logische poort en een laagdoorlaatfilter, de fasevertraging werd vervolgens omgezet in een spanning, die direct werd gemeten (Fig. 1 (b)).

Een spanningsbemonsteringssnelheid tot 100 kHz werd experimenteel geverifieerd door een dynamische spanning van 1 kHz te detecteren die op een willekeurige positie langs de vezel werd aangebracht. Wanneer gedistribueerde metingen werden uitgevoerd op 100 punten met 10 keer het gemiddelde, een herhalingssnelheid van 100 Hz werd geverifieerd door een mechanische golf te volgen die zich langs de vezel voortplant (figuur 2). Dus, de onderzoekers waren de eersten die real-time gedistribueerde Brillouin-detectie aan één kant bereikten. Een videodemonstratie van het systeem is online beschikbaar.

Het sensorsysteem zal naar verwachting nuttig zijn bij het bewaken van de gezondheid van verschillende structuren, variërend van gebouwen en bruggen tot wieken van windmolens en vliegtuigvleugels. Het systeem heeft ook potentiële toepassingen in robotica, fungeren als elektronische "zenuwen" voor het detecteren van aanraking, vervorming, en temperatuurverandering.