Sistemul de detectare cu fibră optică măsoară tensiunea, temperatura și vibrațiile – Physics World

Cercetătorii din China au arătat cum măsurătorile deformarii, temperaturii și vibrațiilor pot fi făcute simultan pe o singură fibră optică. Acesta ar putea fi folosit pentru a crea un sistem bazat pe fibre pentru a monitoriza o serie de parametri fizici diferiți în infrastructură, cum ar fi clădiri, poduri și căi ferate.

Lucrarea a fost făcută de Fan Xinyu de la Universitatea Jiao Tong din Shanghai și colegii și sistemul lor utilizează două impulsuri de lumină succesive pentru a măsura trei tipuri diferite de împrăștiere a luminii în timp real.

Sistemul de detecție prin fibră optică distribuită (DFOS) este utilizat pentru monitorizarea infrastructurilor mari și complexe. Fibrele optice sunt atașate unor părți ale infrastructurii și sunt supuse unor impulsuri luminoase de mare intensitate. O parte din această lumină va interacționa cu fibra și va fi împrăștiată înapoi la sursă, unde este detectată.

Un singur capăt

Această lumină retroîmprăștiată conține informații despre starea fibrei, inclusiv temperatura, tensiunea și vibrațiile mecanice. Aceste informații sunt extrase în timp real cu ajutorul unor algoritmi specializați. Un beneficiu cheie al acestei abordări „un singur capăt” este că poate monitoriza întreaga lungime a unei fibre optice, care poate avea o lungime de kilometri, folosind echipamente instalate la un capăt al fibrei.

Cu toate acestea, senzorii actuali DFOS tind să măsoare doar un singur parametru la un moment dat, ceea ce limitează utilizarea acestora. Această limitare apare deoarece DFOS implică trei tipuri diferite de împrăștiere și fiecare tip trebuie monitorizat cu o abordare diferită – iar combinarea celor trei a fost un efort costisitor și complicat.

Un efect de împrăștiere utilizat în DFOS este retroîmprăștierea Rayleigh, care are loc atunci când lumina incidentă se împrăștie de la fluctuațiile microscopice de densitate din fibră. Această împrăștiere apare deoarece indicele de refracție al fibrei este legat de densitatea acesteia. Prin monitorizarea interferenței dintre această lumină retroîmprăștiată și un fascicul de referință, cercetătorii pot monitoriza vibrațiile mecanice din fibră cu o precizie extremă.

Vibrații cuantificate

Un alt efect relevant este împrăștierea Brillouin, care apare atunci când fotonii incidenti interacționează cu fononii acustici. Acestea din urmă sunt vibrații cuantificate, cu lungime de undă lungă în fibră. Aceasta are ca rezultat o schimbare (în sus sau în jos) a energiei fotonilor împrăștiați și este detectată ca o modificare a lungimii de undă a uneia dintre luminile detectate. Împrăștierea Brillouin oferă informații despre deformarea și temperatura din fibră.

A treia interacțiune este împrăștierea Raman, care este similară cu împrăștierea Brillouin, dar implică interacțiuni între fotoni și fononi optici cu lungime de undă mai scurtă din fibră. Această interacțiune este folosită doar pentru a monitoriza temperatura fibrei, fără a fi afectată de tensiune.

Fibra optică submarină monitorizează activitatea seismică și valurile oceanului

Acum, Fan și colegii au dezvoltat un sistem hibrid DFOS care monitorizează toate aceste trei procese de împrăștiere simultan. Acest lucru se face prin tragerea a două impulsuri de lumină succesive în fibră și analizarea luminii care revine. Primul impuls este optimizat pentru a măsura împrăștierea inversă Rayleigh, în timp ce al doilea este optimizat pentru măsurarea împrăștierii Brillouin. Datele de împrăștiere Raman pot fi extrase independent din măsurătorile pe ambele impulsuri.

Echipa a reușit să realizeze măsurarea simultană a deformarii, temperaturii și vibrațiilor folosind o singură fibră care avea aproximativ 9 km lungime.

Odată cu succesul timpuriu al noii lor abordări asupra DFOS, echipa speră acum că tehnologia sa ar putea fi adaptată în curând pentru a monitoriza infrastructurile complexe, la scară largă, în timp real.

Astfel de sisteme ar putea fi de mare ajutor în dezvoltarea „orașelor inteligente”, în care dispozitivele, sistemele și senzorii sunt interconectați perfect pentru a monitoriza tiparele, tendințele și nevoile care apar în peisajele urbane complexe. La rândul său, acest lucru ar putea ajuta la creșterea eficienței și sustenabilității acestor comunități, îmbunătățind în același timp calitatea vieții pentru mulți oameni care le numesc acasă.

Cercetarea este descrisă în Lumină: producție avansată

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. Automobile/VE-uri, carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• BlockOffsets. Modernizarea proprietății de compensare a mediului. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/fibre-optic-sensing-system-measures-strain-temperature-and-vibration/