Name: fiber optic distributed sensors for high-resolution temperature field mapping
Uploaded: 2016-11-07T12:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 48 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Fiber Optic Distributed Sensors for High-resolution Temperature Field Mapping at JoVE.com

The authors thank Tyler Gorney and Aida Rahim at Luna Innovations for their invaluable technical insight and assistance with our application.
The submitted manuscript has been created by UChicago Argonne, LLC, Operator of Argonne National Laboratory ("Argonne"). Argonne, a U.S. Department of Energy Office of Science laboratory, is operated under Contract No. DE-AC02-06CH11357. This work was supported by the U.S. Department of Energy, Office of Nuclear Energy.

1. Wählen Sie Optimal Sensortyp für Anwendung <ol><li> Wählen Sensorlänge basierend auf Kompromiss zwischen Abtastgeschwindigkeit und der Anzahl der Datenpunkte. HINWEIS: Eine Abfrageeinrichtung Proben Sensoren bis zu 50 m Länge bei 2,5 Hz und Auflösung &lt;10 mm, während die anderen Proben-Sensoren bis zu 10 m Länge bei 5 mm Auflösung und 100 Hz. </li><li> Wählen Sie eine Art von Single-Mode-optische Faser basierend auf den Anforderungen für Service-Temperaturgrenzen, Zeitverhalten, Feuchtigkeitsempfindlichkeit und Anlagenkonfiguration (blank oder in Kapillare). HINWEIS: Hier haben wir verwendet, 155 &amp; mgr; m Durchmesser polyimidbeschichteten Singlemode-kommerziellen Telekommunikations-Glasfaser. HINWEIS: Siehe Tabellen 1 und 2 als Beispiele für Fasern und Konfigurationen wir in unserem Labor verwendet haben. </li></ol> 2. Installieren Sie Optical Fiber in Test Sektion <ol><li> Offene Messstrecke von einem der langen Glasseitenplatten zu entfernen. </li><li> Bohrer 1 mm Durchmesser Löcherin den Seitenwänden 3 mm unterhalb Deckel für Drahtanker (Fig. 3). HINWEIS: Anker halten Stahldraht, die den Sensor unterstützen. Die Anker Tonhöhe kann in Übereinstimmung mit Testabschnittsgröße und der erwarteten dynamischen Belastung von Strömung variiert werden. Die 20-mm-Raster verwendet hier erwies sich als stabil bei minimaler Vibration in Fluss in der Nähe von 1 m / sec. Vibration korrumpiert DTS - Signale und ist problematischer mit langen Sensoren 15,16. </li><li> String ein 127 &amp; mgr; m Durchmesser Stahldrahtsegment über den Testabschnitt durch sie zu einem Messing Anker an jedem Ende des Tanks zu binden. Wiederholen, bis es insgesamt 47 Drahtsegmente über den Tank aufgereiht sind. </li><li> Schneiden Sie 50 m von Glasfaser-Kommunikation / Elektriker Schere mit Reserve mit in Splicing-Anschluss und Beendigung Faser verbraucht werden (wahrscheinlich &lt;0,5 m, aber abhängig von Tüchtigkeit bei Spleißen). Sammeln diese Faser auf eine kleine Spule, ~ 50 mm im Durchmesser. </li><li> Legen Sie den ersten Sensor-Segment an einem Rand der Fläche gewählte Temperatur Witz zu messenh das Sensor-Array. HINWEIS: Nach dem ersten Segment in Position fixiert ist, wird die Faser für ein benachbartes Segment geschleift werden, in ihrer Position fixiert, und mehr Faser für das nächste Segment in einem sich wiederholenden Prozess verzichtet, die das Array aufbaut, bis das gesamte Faser verwendet wird. </li><li> Weben die Faser oberhalb und unterhalb benachbarter Drähte, Arbeiten von einer Seite des Tanks zur anderen, Dispensieren Faser von der Spule nach Bedarf. HINWEIS: Die Faser senkrecht zu dem Draht ist , wie in gezeigt. 3 mit der Webart sie gegen die Schwerkraft in einer Richtung und Strömung in dem anderen zu unterstützen. </li><li> Befestigen jedes Endes des ersten Fasersegment an dem Deckel mit üblichen Klar Band oder Polyimidfilm Band. Das erste Segment des Arrays ist jetzt an seinem Platz. HINWEIS: Verwenden Sie nicht beheben Sensor wie eine Gitarrensaite gespannt, sondern straff genug gerade sein und sichtbar schlaff aufzunehmen. Wenn der Sensor gespannt wird, kleine Verformungen in dem Träger, beispielsweise thermische expansion des Deckels wird diese Spannung verändern und anomale Signal-Offsets und Messfehler erzeugen. </li><li> Schleife der Faser 180 Grad es zurück für das nächste Segment zurück , wie in Fig. 4 und mit Klebeband an dem Deckel in einem Abstand von 10 mm von dem ersten Segment. HINWEIS: Minimieren Sie die Schleifendurchmesser da es sich um &quot;verschwendete Faser&quot; (nicht Teil des Arrays), aber es sollte in etwa 30 mm oder mehr für eine tolerierbare Spannungen sein. Die Faser hier verwendet hat 30 mm Durchmesser toleriert Schlaufen für mehrere Monate ohne merkliche Signalverlust, sondern Grenzen wird mit Fasertyp variieren. Für die Faser hier verwendet wird, legt der Hersteller die &quot;kurzfristige&quot; Biegeradius Grenze als ≥ 10 mm und &quot;langfristige&quot; Grenze als ≥ 17 mm. </li><li> Wieder weben die Faser zwischen den Drähten in Richtung der gegenüberliegenden Seite des Behälters und das Band in Position. Wiederholen Sie den Looping, Taping und Weben Prozess, bis die gesamte Faser verwendet wird. </li></ol> 3. Splice Connector und Termination zu Fiber <ol><li> Splice ein LC-Typ Single - Mode - Stecker an einem Ende der Faser mit einem Spleißgerät gemäß Herstellerangabe 17 verwendet wird . </li><li> Cut ~ 0,25 m Beendigung Faser mit dem Elektriker / Kommunikation Schere und Spleiß an das andere Ende der Faser wieder mit einem Spleißgerät gemäß Herstellerangabe. HINWEIS: Diese Baugruppe (Faser, Stecker und Terminierung) wird nun als &quot;Sensor&quot; bezeichnet werden. Die Beendigung Faser streut Restsignal von dem Laserimpuls zu verhindern, dass an die Abfrageeinrichtung zurückkehrt. </li></ol> 4. Sensorkonfiguration <ol><li> Stecken Sie den LC-Stecker Ende des Sensors in der Abfrage Port und Konfigurationssoftware starten. </li><li> Generieren Sensoramplitudendaten durch &quot;Acquire&quot; (Unterschied von Temperaturdaten) die Auswahl, die automatisch angezeigt wird, wenn der Scanvorgang abgeschlossen ist. HINWEIS: Die Spur für einen Sensor mit guten Klebestellen wird das Gen habenral Charakteristiken in Fig. 5. Eine schlechte Spleiß kann durch eine unscharfe Rauschen oder dominant Reflexion angezeigt werden , wenn der Stecker wird erwartet. Wenn ein armer Spleiß vermutet wird, zu Schritt 3 zurückzukehren und Splicing Vorgang wiederholen. </li><li> Wählen Sie den aktiven Teil des Sensors durch den gelben Cursor auf dem Bildschirm zu Beginn des Sensors und der rote Cursor an das Ende gezeigt ziehen. </li><li> Geben Sie dem Sensor einen Namen und wählen Sie &quot;Sensor-Dateien speichern&quot;. HINWEIS: Der Sensor ist nun konfiguriert und einsatzbereit. </li><li> Schließen Sie die Konfigurationssoftware und wechseln auf die Mess-Software. </li></ol> 5. Karte Sensorposition im Test Sektion <ol><li> Starten Sie die Messsoftware Abfrageeinrichtung und laden Sie den Sensor einfach konfiguriert. </li><li> Schließen Sie einen Lötkolben zu einem variablen Transformator auf ~ 40%, Vorwärmen für 5-10 min. HINWEIS: Die Lötkolben lokale Temperaturspitzen für die Abbildung erzeugt. Ein Lötkolben kann melt die Faserbeschichtung und ruinieren den Sensor so mit einem niedrigen Transformator Einstellung zu starten, gerade genug Leistung mit klaren Spitzen zu erhalten. A 10-20 ° C Spike genügt für diesen Prozess. </li><li> Wählen Sie &quot;Messen&quot; in der Abfragesoftware Live-Daten auf dem Bildschirm zu zeichnen. </li><li> Verkleinern den gesamten Sensor auf dem Bildschirm angezeigt werden soll. </li><li> Halten Sie Lötkolben in der Nähe von Sensor und berühren sie kurz an der ersten Abbildungspunkt, hier das Segment am weitesten aus dem Schlot , wo sie den Deckel trifft (Abb. 4). </li><li> Die Bilanz Position der Temperaturspitze als durch Software angezeigt zusammen mit dem entsprechenden physischen Standort innerhalb Teststrecke. </li><li> Wiederholen 5,5-5,6 die Endpunkte aller 49 Segmente abzubilden. </li></ol> 6. Sensor Baseline: Der Link zur absoluten Temperatur <ol><li> Position einen oder mehrere Temperaturstandards, zB TC oder Widerstandstemperaturfühler (RTD), in der Nähe der DTS als Standard - Verknüpfung DTS Lesungen absolute te dienenmperatur. </li><li> Schließen Sie den Tank durch die lange Glasseitenplatte zu ersetzen, die in Schritt 2.1 entfernt wurde. </li><li> Isolieren Sie den Tank, indem sie in Decken oder konventionelle Dämmplatten Einwickeln und lassen Sie es über Nacht sitzen eine isotherme Atmosphäre zu schaffen. </li><li> Starten Sie die Abfrageeinrichtung Software, wählen Sie &quot;Baseline&quot; (oder &quot;Tara&quot;) und gleichzeitig beachten / notieren Sie die TC (oder RTD) Lesen. Wenn Software mit der Basislinie beendet ist, wählen Sie &quot;messen&quot; Live-Daten zu zeichnen, die Qualität der Basislinie zu untersuchen. HINWEIS: Diese kritische Schritt legt die DTS - Basislinie und das Signal sollte nun zeigen Null, dh AT (x) = 0 ± ein Bruchteil eines Grades. Von nun an wird das Signal variieren als Tanktemperatur von der Temperaturreferenz abweicht: AT (x) = T (x) abs - T Base, wobei T (x) abs die absolute Temperatur entlang der Faser und T Base ist das Basis Temperatur 6,18. Wenn der Test Section ist nicht - isothermen, wird T Base eine Funktion der Position sein, dh T Basis (x) und die Genauigkeit beeinträchtigt wird , es sei denn T Basis (x) mit mehr als einem TC oder RTD (siehe Diskussion Abschnitt) zugeordnet ist. nicht Bewegen oder berühren sie den Sensor bis zum Schritt 7 abgeschlossen ist. es in irgendeiner Weise Belasten einführen können Offsets , die Messgenauigkeit verschlechtern. </li><li> Untersuchen Sie das Live-Signal, das nicht weit von Null treiben sollte. Wenn Drift übermäßige für die Anwendung ist (unsere Grenze ist etwa 0,5 ° C nach ca. 5 min), mehr Zeit für die Teststrecke ermöglichen, ein thermisches Gleichgewicht und / oder Verbesserung der Isolierung (siehe Anmerkung unten) und wiederholen Sie dann Schritt 6.4 erreichen. HINWEIS: Die Signalqualität ist immer am besten unmittelbar nach dem Beginn und im Laufe der Zeit driften in Abhängigkeit von der Temperaturverteilung innerhalb der Teststrecke. Eine gute Isolierung und lange Wartezeiten vor dem Grundfutter reduziert Drift und Messfehler. Beträchtliche, deuten auf eine rasche Driften der Teststrecke ist nichtisothermen, was zu ungenauen Messungen letztlich führen wird. </li><li> Wählen Sie die Logging-Funktion in der Abfragesoftware und aufzeichnen 10-100 Scans von DTS-Daten für die gleichen stagniert, isothermen Bedingungen verwendet nur die Basislinie zu erzeugen. Nehmen Sie auch die TC / RTD Lesen. Hinweis: Dies ist Reservedaten für Nachtest Kontrollen von Offsets, die durch den Stamm von Strömung oder unerwartete Verformung des Testabschnitts oder Träger erzeugt werden können. </li></ol> 7. Run Test <ol><li> Schalten Sie den Kompressor Luftstrom zu erzeugen und Stromregler anpassen, um Durchflussmengen bei 1,25 kg / s pro Kanal entsprechen. HINWEIS: Durchschnittliche Eintrittsgeschwindigkeit beträgt 1,1 m / sec und Reynolds-Zahl ist 10.000. </li><li> Set Heizleistungs bis 600 W, um die Ost-Jet 20 ° C über der Weststrahl zu erwärmen, die bei Umgebungstemperatur ist. </li><li> Lassen Sie das System über Nacht laufen Gleichgewicht zu erreichen. </li><li> Am nächsten Tag untersuchen Live-DTS-Signal Geräuschpegel zu beurteilen. Wählen Sie den Sensor &quot;gage length &quot;in der Software akzeptablen Geräuschpegel zu erreichen (30 mm Lehre wird hier verwendet). HINWEIS: Messlänge entspricht räumlicher Auflösung zum Sensor. Im Allgemeinen wird das Signalrauschen nimmt zu, wenn Messlänge ab, und als strömungsinduzierten Vibrationen erhöht (siehe Bedienungsanleitung und Referenz 13 und 14). </li><li> Melden 2000 DTS-Scans bei 4 Hz. </li><li> Schalten Sie Heizleistungs und Luftstrom. Lassen Sie den Tank über Nacht sitzen Gleichgewicht zu erreichen und 10-100 DTS-Scans erfassen die Pre-Testdatensatz für Nachtest Offset Prüfungen gespeichert zu ergänzen. </li></ol> 8. Datenanalyse <ol><li> Wählen Sie das Post-Processing-Funktion im Hauptfenster der Abfragesoftware und importieren Sie die Testdaten, die in einem speziellen binären Format ist. </li><li> Exportieren Sie die Daten als Textdatei, die von herkömmlichen Tabellenkalkulationsprogrammen gelesen werden kann. HINWEIS: Diese Daten repräsentieren gemessenen &amp; Delta; T entlang der Faser , wo AT (x) = T (x) abs - T - Basis. Es enthält keinen Hinweis aufPosition in der Meßstrecke (siehe Fig. 6). Weitere Informationen finden Sie im Handbuch für den Interrogator Benutzer und Referenzen 6 und 16 für diesen Schritt und die nächste. </li><li> Import von Textdaten in einem herkömmlichen Tabellenkalkulations und konvertieren zur absoluten Temperatur von T Baseline hinzufügen, gemessen von TC oder RTD in Schritt 6.4, auf alle Daten. HINWEIS: Die Umstellung auf die absolute Temperatur ist nur ein Einzelwert - Offset - Korrektur: T (x) abs = &amp; Delta; T (x) + T Baseline , da wir festgelegt haben , dass der Testabschnitt isothermen während der Baseline war. </li><li> Verwendung Tabellenkalkulationsprogramm oder ein ähnliches Datenmanipulationsprogramm T (x) Daten zu zersetzen und zu physikalischen Positionen innerhalb der Meßstrecke Karte wie die in den Figuren 7 und 8 gezeigt. HINWEIS: Das Programm wird die Daten mit dem Lötkolben in Schritt 5 gesammelt nutzen. </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

Wir haben die Verwendung von einem DTS in einem fluid dynamics Experiment gezeigt. Der Hauptvorteil dieser Sensoren ist die große Anzahl von Messpunkten, die von einem einzelnen Sensor erhalten werden kann. Die DTS verwendet hier erzeugten Daten bei 4.067 Punkten in einer 0,5 x 0,8 m Ebene, weit über die Grenzen herkömmlicher praktikabel Punktsensoren wie Thermoelemente. Während solche Datendichte kann durch optische Techniken wie Laser-induzierte Fluoreszenz (LIF) überschritten werden, wird eine DTS in undurchsichtigen Flüssigkeiten und Anwendungen funktionieren, die optischen Zugang fehlt. Die hohe Datendichte einer DTS eignet sich für die in Computational Fluid Dynamics-Code-Validierung beteiligt Experimente. Baselining ist der kritische Schritt im Protokoll und zentral in die Messgenauigkeit zu bestimmen. Ein isothermen Testabschnitt ist wesentlich die gesamte DTS ist bei einer bestimmten Temperatur zu gewährleisten, wenn eine Baseline. Wenn dies nicht möglich ist, wird T Base Base T (x), die mapp sein sollteed durch den DTS in unmittelbarer Nähe platziert TCs mehrere. Obwohl Basisqualität kann auf diese Weise verbessert werden, erschwert es, den Prozess der DTS Basislinie der Zuordnung zu den Standards für die Umstellung auf die absolute Temperatur. Immer auf der Suche nach Quellen der Stamm nach dem Beginn der Studie, die unberechenbar Signalverschiebungen einführen können. Solche Quellen sind zum Beispiel Meßstrecke Wärmeausdehnungs, die den Sensor erstreckt, die Bewegung von Trägern, dynamische Belastung von hohen Flußraten oder strömungsinduzierten Vibrationen. Die Vor- und Nachtest Messungen unter isothermen Bedingungen helfen, solche Probleme zu identifizieren. Dehnungsempfindlichkeit ist das größte Manko dieser Rayleigh-Streuung-basierte DTS. Im Gegensatz zu herkömmlichen Sensoren wie Thermoelemente, ist es empfindlich gegenüber Handhabung, Feuchtigkeit und Vibration. Diese Fragen sind am wichtigsten für die bloßen Sensorkonfiguration hier gezeigt, aber weit weniger wichtig für die in Kapillaren untergebracht Sensoren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Sensoren kann ein DTS nicht mit Papierkram es zu einer anerkannten Kalibrierungsstandard wie NIST (National Institute of Standards and Technology) Tracing beschafft werden. In-situ - Kalibrierungen erforderlich sind, vorzugsweise mit einem isothermen Teststrecke, die in einigen schwierig sein kann , Anwendungen. Die Vibration ist von besonderer Bedeutung für die blanke Faser in einem großen Testabschnitt aufgereiht. Wir haben mit einem vertikal ausgerichteten Array gemischtem Erfolg hatte, dass die lange Achse des Tanks bei Segmentlängen von 1,7 m erstreckt. Eine Konfiguration mit 28 m Faser und 16 Segmente während einer Studie 18, gut durchgeführt , aber versucht , es war nicht erfolgreich 16 bis 53 m mit 29 Segmenten zu verlängern. Im allgemeinen Signalrauschen für jede Sensorlänge und Konfiguration kann durch Erhöhung der Messlänge, über die die Abfragesoftware die Verschiebung Rayleigh-Signal berechnet verringert werden, aber dies reduziert die effektive räumliche Auflösung. Jede Anwention muss sein eigenes Gleichgewicht zwischen Signalrauschen und räumlicher Auflösung schlagen. Wiederum können solche Schwierigkeiten weitgehend durch das Gehäuse des Sensors in einer Kapillare auf Kosten der längeren thermischen Reaktionszeit vermieden werden. Diese relativ neue Temperaturmesstechnik erfordert Entwicklung Schwingungsanfälligkeit zu reduzieren. Ein großer Teil dieser Arbeit wird notwendigerweise die Abfrageeinrichtung Hard- und Software beinhalten. Die Sensoren selbst können auch Empfindlichkeit gegenüber Handhabung und Feuchtigkeitsänderungen zu reduzieren, verbessert werden, die von den Faserbeschichtungen betroffen sind. Könnten die Arbeiten konzentrieren sich auf Beschichtungen überlegen dem Polyimid und Acrylat-beschichteten Fasern zur Zeit im Handel erhältlich entwickeln.

Computational Fluid Dynamics (CFD) Codes werden verwendet, um eine Vielzahl von Fluidsystemen zu simulieren, von Luftstrom um Flugzeuge und Automobile den Blutfluss auf eine arterielle. Der Umfang und die Genauigkeit solcher Simulationen mit der Verfügbarkeit von Computerleistung gewachsen. Doch trotz der Komplexität der komplexen Simulationen, ihre Genauigkeit und Zuverlässigkeit sind oft schwer zu quantifizieren. In der Praxis wird die Genauigkeit von CFD-Codes beurteilt durch Simulationen mit experimentellen Daten in einem Prozess namens Codevalidierung vergleicht. Eine typische experimentelle Datensatz besteht hauptsächlich aus Geschwindigkeit und Temperaturmessungen, die beide im Idealfall mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung strengen Code-Validierung zu erleichtern. Geschwindigkeitsfelder können bei hoher Auflösung mit Particle Image Velocimetry (PIV), eine gut etablierte optische Technik 1,2 abgebildet werden. Im Gegensatz dazu ist es schwierig, Temperaturfelder mit einer Auflösung vergleichbar mit der von PIV zu kartieren. Optical Techniken wie Laserinduzierte Fluoreszenz zur Verfügung 3,4, aber sie erfordern relativ Kameras und Hochleistungslaser und sind ungeeignet für die opake Flüssigkeiten. Eine Alternative ist in der relativ neuen Technik der verteilten Temperaturerfassung auf Basis von Rayleigh - Streuung und gefegt-Wellenlängen - Interferometrie (SWI) 5-7 erhältlich. Tausende von Temperaturmessungen entlang einer einzigen optischen Faser erfasst werden. Eine verteilte Temperatursensor (DTS) kann in Umgebungen großer Strömungsfelder und Funktions erstrecken , die 8 für die bildbasierte Techniken ungeeignet sind. Es gibt auch DÜAs basierend auf Raman und Brillouin - Streuung 9,10, aber Sensoren basierend auf Rayleigh - Streuung und SWI bieten räumliche und zeitliche Auflösung besser geeignet für typische Strömungsdynamik Experimenten. Obwohl DÜAs Angebot Datendichte weit über die herkömmlichen Sensoren wie Thermoelemente (TCs), Sensoren auf Basis von Rayleigh scatteRing reagieren sowie Temperatur 11 bis belasten. Wenn die Faserbeschichtung hygroskopisch ist, Sensoren reagieren auch auf Feuchtigkeit 12,13 ändert. Absorption von Wasserdampf quillt die Beschichtung während der Desorption es 14 schrumpft, was die darunter liegenden Glasfaser - Stämme und ändert das Signal. Als Ergebnis wird die Genauigkeit durch die Handhabung, Vibrationen und Verschiebungen in der relativen Feuchtigkeit beeinflußt. Das ist ganz im Gegensatz zu herkömmlichen Sensoren und so unkonventionelle Installation und Messverfahren zu beachten, genaue Daten zu erhalten. Dieses Papier zeigt die Verwendung eines DTS in einem thermischen Mischexperiment, ein Protokoll und Richtlinien präsentiert Genauigkeit sicherzustellen. Die DTS verwendet hier basierend auf der Erfassung und Analyse der Rayleigh-Streuung innerhalb eines faseroptischen Wellenleiter. Eine zufällige Verteilung von Verunreinigungen und Strukturvariationen entlang des Faserkerns führt zu einem Rückstreumuster, das auf die Faser und in der Regel stabile einzigartig ist. Das Spektrum und die Amplitudenkann dieses Musters als Fasersignatur zu dienen gelesen werden. Physikalische Veränderungen wie Temperaturverschiebungen oder Dehnung verändern die Unterschrift in einer wiederholbaren Art und Weise und Variationen Signaturerfassungs ist die Basis, die Faser als Sensor für die Verwendung. Abbildung 1 zeigt die Hauptkomponenten des optoelektronischen Erfassungseinrichtung, eine optische verteilten Sensorabfrage genannt und hier einfach als &quot;Abfrageeinrichtung &quot; bezeichnet. In einer Technik , die als Swept-Wellenlängen - Interferometrie bekannt ist , startet ein Low - Power - abstimmbaren Laser ein Schmalbandsignal in die Faser für die Zwecke resultierende Backscatter 5-7 zu registrieren. Der Laser wird in einem Intervall von mehreren Nanometern gekehrt und das Signal aufgeteilt zwischen Referenz- und Messbeinen. Streulicht von dem Sensor mit dem Referenzsignal kombiniert, um Interferenzsignale an den Detektoren zu erzeugen. Detektorausgang wird digitalisiert und analysiert, um das Streusignal Rayleigh abzurufen. Die Rayleigh Unterschrift der Sensor Verschiebungen in der Wellenlänge in dem Sensortemperatur (Stamm oder Feuchtigkeit) ändert. Die Größe dieser Wellenlängenverschiebung bezieht Empfindlichkeit Sensor, der eine physikalische Konstante ist, mit dem Fasertyp verbunden, die einen Kalibrierungsfaktor analog dem Seebeck-Koeffizienten eines TC hat. Abbildung 2 zeigt den Glasbehälter, der als Teststrecke in dieser Studie verwendeten dient. Die Kamera hinter dem Tank gibt ein Gefühl der Skala. Luft tritt durch zwei hexagonalen Kanälen und vermischt, bevor sie durch eine Entlüftungsöffnung austritt. Um die Jets zu markieren, wurde ein Durchflussstrom mit Ölnebel ausgesät, während der andere reine Luft blieb. Der Tankdeckel hat ein Fenster mit einem schwarzen Bildschirm Polymer bedeckt. Obwohl nicht sichtbar auf dem Foto wird das DTS unter dem schwarzen Bildschirm suspendiert. Eine 50 m lange DTS wurde unter dem Tankdeckel montiert , wie in Fig. 3. Es wurde geformt aus 155 &amp; mgr; m Durchmesser mit Polyimid beschichteten optischen Faserund hängte auf 127 &amp; mgr; m Durchmesser Stahldraht zwischen Tank Endplatten aufgereiht. Der Sensor wurde durch den Draht in einem alternierenden Muster gewebt und hin und her über den Tank 49 mal durchgeschleift. Es erstreckt sich über eine 0,5 x 0,8 m-Ebene und erzeugt 1.355 unabhängige Datenpunkte bei 4 Hz und räumlichen Auflösung von 30 mm, 4.067 Datenpunkte, wenn sie mit 10 mm Abstand überabgetastet. Eine solche hohe Dichte Temperaturdaten ergänzt Datengeschwindigkeit und erhöht den Wert von Datensätzen für die CFD-Validierung. Das Protokoll beschreibt den Prozess der Sensorauswahl, Fertigung und Konfiguration, während bei der Verwendung der DTS in einem Fluiddynamik Experiment auf die besonderen Belange konzentrieren.

<table><tbody><tr><td>Sensor interrogator</td><td>Luna Inc.</td><td>ODiSI-A and -B</td><td>The two systems differ primarily in speed and spatial resolution</td></tr><tr><td>Fusion splicer</td><td>Fujikura</td><td>70S</td><td></td></tr><tr><td>Cleaver</td><td>Fujikura</td><td>CT-3A</td><td></td></tr><tr><td>3-hole jacket stripper</td><td>Fiber Instrument Sales</td><td>F11301T</td><td></td></tr><tr><td>Optical fibers</td><td>OFS, Specialty Photonics Division</td><td>BF06160-02</td><td>Polyimide coating</td></tr><tr><td>Optical fibers</td><td>Newport Corp.</td><td>F-SM1500-4.2/50</td><td>Acrylate coating</td></tr><tr><td>Connector</td><td>AFL Global</td><td>FUSE-LC-9U-SMA-6</td><td></td></tr><tr><td>Termination fiber</td><td>OFS, Specialty Photonics Division</td><td>552 HPWR 040</td><td></td></tr></tbody></table>

fiber optic distributed sensors for high-resolution temperature field mapping

Die Zuverlässigkeit der Computational Fluid Dynamics (CFD) Codes wird durch den Vergleich Simulationen mit experimentellen Daten überprüft. Ein typischer Datensatz besteht hauptsächlich aus Geschwindigkeit und der Temperatur, die beide ideal hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu strengen Code-Validierung zu erleichtern. Während hochauflösende Geschwindigkeitsdaten leicht durch optische Messtechniken wie Particle Image Velocimetry erhalten wird, hat es sich als schwierig erwiesen, Temperaturdaten mit ähnlicher Auflösung zu erhalten. Traditionelle Sensoren wie Thermoelemente können diese Rolle nicht ausfüllen, aber die jüngste Entwicklung von verteilten Erfassung basierend auf der Rayleigh-Streuung und gefegt Wellen Interferometrie bietet Auflösung geeignet für CFD-Code-Validierung Arbeit. Tausende von Temperaturmessungen entlang einer einzigen dünnen Lichtleitfaser an Hunderten von Hertz erzeugt werden. Sensoren arbeiten über große Temperaturbereiche und innerhalb undurchsichtigen Flüssigkeiten, wo optische Techniken ungeeignet sind. Aber diese Art von Sensorist sowie Temperatur und so wird die Genauigkeit beeinflußt durch die Handhabung, Vibrationen und Verschiebungen in der relativen Feuchtigkeit auf Dehnung und Feuchtigkeit empfindlich. Ein solches Verhalten ist ganz im Gegensatz zu herkömmlichen Sensoren und so unkonventionelle Installation und Betriebsverfahren sind notwendig, um genaue Messungen zu gewährleisten. Dieses Papier zeigt Implementierung einer Rayleigh-Streuung-Typ verteilten Temperatursensor in einem Experiment thermischen Mischen von zwei Luftstrahlen bei 25 und 45 ° C beteiligt sind. Wir präsentieren Kriterien Auswahl der optischen Faser für den Sensor zu führen und Installations-Setup für einen Jet-Mischexperiment beschreiben. Wir zeigen Sensor Baselining, die Messwerte zu einer absoluten Temperatur-Standard verbindet, und praktische Fragen wie Fehler aufgrund von strömungsinduzierten Vibrationen. Dieses Material kann die Interessenten bei Temperaturmessungen mit hoher Datendichte und Bandbreite für Fluiddynamik Experimente und ähnliche Anwendungen unterstützen. Wir heben Tücken speziell für diese Sensoren für consideration in Versuchsplanung und Betrieb.

Raw DTS - Daten werden in Fig aufgetragen. 6 zeigt gemessene &amp; Dgr; T von der Basistemperatur (etwa 20 ° C) gegenüber dem Abstand entlang des Sensors. Die Daten sind &quot;rohe&quot; in dem Sinne, dass es weder zu der absoluten Temperatur noch abgebildet physikalischen Positionen innerhalb der Teststrecke umgewandelt. Die Daten basieren auf einer 30 mm Messlänge, die 1.666 unabhängige Messungen über die gesamte Sensorlänge von 50 m zur Verfügung stellt. Der 30 mm gage wurde bei 10 mm Intervallen in einem Überabtastungsmodus angewendet, die die Anzahl der Datenpunkte auf 5.000 erhöht. Derartige Datendichte ist mit konventionellen Sensoren, wie TCs nicht praktikabel. Bei x = 0 in Fig. 6 der Sensor befindet sich am östlichen Ende des Tanks, und als x erhöht es Schleifen hin und her in Richtung West End. Peaks auftreten, in denen der Sensor über den heißen Osten Strahl passiert und dann verblassen, wo es über die kalte Westen je istt. Die Handlung zeigt, wie auch das Ausgangssignal von einem einzigen DTS eine grundlegende Darstellung der Temperatur über einen ziemlich breiten Bereich zur Verfügung stellen kann. Beachten Sie das Signalrauschen in Richtung Westen Ende der Faser, die strömungsinduzierten Schwingung zurückzuführen ist. Obwohl Schwingung mit dem bloßen Auge nicht sichtbar war, war es ausreichend, um das Signal zu verschlechtern, und wir sehen dieses Problem am häufigsten mit langen Sensoren (&gt; 10 m). Die Rohdaten werden auf der Teststrecke in Abb abgebildet. 7, die von der DTS - Array gebildet Temperatur über die 0,5 x 0,8 m Messebene zeigt. Die Sicht von oben dem Tank nach unten auf den Deckel. Umrisse der hexagonalen Kanäle sind als Orientierungshilfe enthalten. Die Kontur basiert auf 4.067 Datenpunkte, da die Schlaufen unter dem Deckel geklebt sind ausgeschlossen. Die lineare Interpolation zwischen benachbarten Sensorsegmente wurde verwendet, um die 2D-Kontur zu erstellen. the Kontur bietet einen klaren Sinn für das Wärmemuster unterhalb des Deckels mit einer warmen Region im Osten Jet, aber um ihn herum nicht zentriert. Auch evident ist eine grobe Symmetrie um den Tank Midplane, die y = 0 auf dem Grundstück ist. Diese Art von Temperaturdaten ist eine nützliche Ergänzung zu Geschwindigkeitsdaten in der Fluiddynamik Studien Wärmedurchmischung und Wärmeübertragung beteiligt sind. Rigorose Code-Validierung erfordert eine solche hochauflösende Daten sowohl für die Temperatur- und Geschwindigkeitsfelder. Die gleichen Sensordaten können verarbeitet werden, um die Größe der Temperaturschwankungen zu offenbaren. Die RMS (root mean square) der 2000 - Scan - Datensatz ist in Abbildung 8 dargestellt. Magenta markiert den Bereich , in dem Temperaturschwankungen sind relativ hoch. Dies ist auch ein Bereich mit hoher Turbulenz in dem die beiden Strahlen steigenden als impinge am Deckel zusammenwirken. RMS-Daten ist für Turbulenzmodellierung im Rahmen der thermischen Durchmischung nützlich. Abbildung 1. Befrager schematisch. Prinzip Komponenten optischer verteilten Sensorabfrageeinrichtung für Temperaturmessungen. Das System basiert auf swept-Wellenlängen - Interferometrie, die die Rayleigh - Rückstreu - Signatur des Sensors charakterisiert. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig1large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig2.jpg" /> Abbildung 2. Test Abschnitt Luftstrahl - Mischexperiment. Luft gelangt Tank durch die Basis über zwei hexagonalen Kanäle und die Mischungen vor durch die obere Lüftungs verlassen. Der schwarze Bildschirm , um den Deckel Fensterabdeckung ist 3 mm über den DTS (nicht sichtbar). <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig2large.jpg" target="_blank">Pl</a>erleichtern klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig3.jpg" /> Abbildung 3. DTS Montagekonfiguration. Draufsicht der Tank über die lange Achse des Tanks aufgereiht DTS gewebt zwischen Stahlstützdrähten zeigt. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig3large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig3large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Abbildung 4" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig4.jpg" /> Abbildung 4. DTS close-up. Close-up - Foto von DTS mit Blick von innen Tank nach oben auf Deckel Sensorschleifen zu markieren, Befestigung und Ort des ersten Testpunkt mit Lötkolben abgebildet werden. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig4large.jpg" target="_blank">eine größere Version zu sehen dieses fi</a>Abbildung. <img alt="Abbildung 5" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig5.jpg" /> Abbildung 5. Rayleigh - Streuung Signal. Typische Rayleigh - Streuung Signal mit Sensor - Konfigurationsprogramm (Kurz Sensor für Klarheit hier gezeigt) aufgezeichnet. Ein ordnungsgemäßer Abschluß wird scharf Signalabfall zu Rauschen erzeugen. Die geringe Signal Schritt nach oben und bescheiden Reflexion an der Anschluss ist charakteristisch für einen richtig gespleißt Anschluss. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig5large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 6" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig6.jpg" /> Abbildung 6. Raw DTS - Daten. Ein einzelner Scan von Roh - DTS - Daten mit dem heißen Ost-Jet bei 45 ° C und kalten Weststrahl bei 25 ° C Peaks auftreten, in dem Sensor direkt<html> oben heißen Strahl. Daran erinnern , dass der Sensor Looping hin und her zwischen Tankwänden. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig6large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig6large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="7" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig7.jpg" /> Abbildung 7. gemessene Lufttemperatur unter Deckel. DTS - Rohdaten zur absoluten Temperatur umgewandelt und abgebildet physikalische Position innerhalb des Tanks. Die Daten basieren auf 2.000 Scans bei 4 Hz protokolliert. Datenabstand 10 mm für eine Gesamtmenge von 4.067 Datenpunkte aufgetragen. Die lineare Interpolation zu füllen Regionen zwischen Sensorsegmenten eingesetzt. Hexagons zeigen Positionen von Einlässen. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig7large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig7large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> 54076fig8.jpg &quot;/&gt; Abbildung 8. Root - Mean - Square (RMS) der gemessenen Temperatur. RMS von Daten aufgezeichnet in Fig. 7. Magenta zeigt eine hohe Temperaturschwankungen und thermische Vermischung von heißen und kalten Jets. Hexagons zeigen Positionen von Einlässen. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig8large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig8large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Tabelle 1" src="/files/ftp_upload/54076/54076table1.jpg" /> Tabelle 1. Ordnung der Größenordnung thermischen Reaktionszeit für ausgewählte Fasertypen und Gehäusekonfigurationen im Kreuzstrom bei 1 m / s und 20 ° C. <img alt="Tabelle 2" src="/files/ftp_upload/54076/54076table2.jpg" /> Tabelle 2 Ungefähre Betriebstemperaturgrenzen und Feuchtigkeitsempfindlichkeit für ausgewählte Beschichtungskonfigurationen.

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Fiber Optic Distributed Sensors for High-resolution Temperature Field Mapping

Wir demonstrieren die Verwendung eines faseroptischen verteilten Sensor zum Abbilden des Temperaturfeldes Luftstrahlen zu mischen. Die Rayleigh-Streuung-basierten Sensor erzeugt Tausende von Datenpunkten entlang einer einzelnen Faser außergewöhnliche räumliche Auflösung zu schaffen, die mit herkömmlichen Sensoren wie Thermoelemente unerreichbar ist.

Temperaturfeldzuordnung Glasfaser verteilten Sensoren für hochauflösendes

The reliability of computational fluid dynamics (CFD) codes is checked by comparing simulations with experimental data. A typical data set consists ...

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Research

JoVE Journal

Engineering

11.9K Aufrufe.  Argonne National Laboratory.  Wir demonstrieren die Verwendung eines faseroptischen verteilten Sensor zum Abbilden des Temperaturfeldes Luftstrahlen zu mischen. Die Rayleigh-Streuung-basierten Sensor erzeugt Tausende von Datenpunkten entlang einer einzelnen Faser außergewöhnliche räumliche Auflösung zu schaffen, die mit herkömmlichen Sensoren wie Thermoelemente unerreichbar ist. 

Serie: Fiber Optic Distributed Sensors for High-resolution Temperature Field Mapping

Method for Simultaneous fMRI/EEG Data Collection during a Focused Attention Suggestion for Differential Thermal Sensation

In the present work, we demonstrate a method for concurrent collection of EEG/fMRI data. In our setup, EEG data are collected using a high-density 256-channel sensor net. The EEG amplifier itself is contained in a field isolation containment system (FICS), and MRI clock signals are synchronized with EEG data collection for subsequent MR artifact characterization and removal. We demonstrate this method first for resting state data collection. Thereafter, we demonstrate a protocol for EEG/fMRI data recording, while subjects listen to a tape asking them to visualize that their left hand is immersed in a cold-water bath and referred to, here, as the cold glove paradigm. Thermal differentials between each hand are measured throughout EEG/fMRI data collection using an MR compatible temperature sensor that we developed for this purpose. We collect cold glove EEG/fMRI data along with simultaneous differential hand temperature measurements both before and after hypnotic induction. Between pre and post sessions, single modality EEG data are collected during the hypnotic induction and depth assessment process. Our representative results demonstrate that significant changes in the EEG power spectrum can be measured during hypnotic induction, and that hand temperature changes during the cold glove paradigm can be detected rapidly using our MR compatible differential thermometry device.

We present a protocol for concurrent collection of EEG/fMRI data, and synchronized MR clock signal recording. We demonstrate this method using a unique paradigm whereby subjects receive &#x2018;cold glove&#x2019; instructions during scanning, and EEG/fMRI data are recorded along with hand temperature measurements both before and after hypnotic induction.

Methode zur gleichzeitigen fMRI/EEG-Datenerfassung während eines Focused Attention Suggestions for Differential Thermal Sensation

In the present work, we demonstrate a method for concurrent collection of EEG/fMRI data. In our setup, EEG data are collected using a high-density ...

Forschung

Verhalten

Surface Renewal: An Advanced Micrometeorological Method for Measuring and Processing Field-Scale Energy Flux Density Data

Advanced micrometeorological methods have become increasingly important in soil, crop, and environmental sciences. For many scientists without formal training in atmospheric science, these techniques are relatively inaccessible. Surface renewal and other flux measurement methods require an understanding of boundary layer meteorology and extensive training in instrumentation and multiple data management programs. To improve accessibility of these techniques, we describe the underlying theory of surface renewal measurements, demonstrate how to set up a field station for surface renewal with eddy covariance calibration, and utilize our open-source turnkey data logger program to perform flux data acquisition and processing. The new turnkey program returns to the user a simple data table with the corrected fluxes and quality control parameters, and eliminates the need for researchers to shuttle between multiple processing programs to obtain the final flux data. An example of data generated from these measurements demonstrates how crop water use is measured with this technique. The output information is useful to growers for making irrigation decisions in a variety of agricultural ecosystems. These stations are currently deployed in numerous field experiments by researchers in our group and the California Department of Water Resources in the following crops: rice, wine and raisin grape vineyards, alfalfa, almond, walnut, peach, lemon, avocado, and corn.

Surface renewal is a micrometeorological method that is being used increasingly to determine energy fluxes, but its technical complexity makes it inaccessible to a broad audience. We describe the steps needed to set up and calibrate a surface renewal field station, to acquire and process data, and to correctly interpret results.

Oberflächen Erneuerung: Ein Advanced Mikrometeorologische Verfahren zur Messung und Verarbeitung Feld Skala Energieflussdichte Daten

Advanced micrometeorological methods have become  increasingly important in soil, crop, and environmental sciences.  For many scientists without formal ...

Umwelt

High-resolution Fiber-optic Microendoscopy for in situ Cellular Imaging

Many biological and clinical studies require the longitudinal study and analysis of morphology and function with cellular level resolution. Traditionally, multiple experiments are run in parallel, with individual samples removed from the study at sequential time points for evaluation by light microscopy. Several intravital techniques have been developed, with confocal, multiphoton, and second harmonic microscopy all demonstrating their ability to be used for imaging in situ 1. With these systems, however, the required infrastructure is complex and expensive, involving scanning laser systems and complex light sources. Here we present a protocol for the design and assembly of a high-resolution microendoscope which can be built in a day using off-the-shelf components for under US$5,000. The platform offers flexibility in terms of image resolution, field-of-view, and operating wavelength, and we describe how these parameters can be easily modified to meet the specific needs of the end user.
We and others have explored the use of the high-resolution microendoscope (HRME) in in vitro cell culture 2-5, in excised 6 and living animal tissues 2,5, and in human tissues in vivo 2,7. Users have reported the use of several different fluorescent contrast agents, including proflavine 2-4, benzoporphyrin-derivative monoacid ring A (BPD-MA) 5, and fluoroscein 6,7, all of which have received full, or investigational approval from the FDA for use in human subjects. High-resolution microendoscopy, in the form described here, may appeal to a wide range of researchers working in the basic and clinical sciences. The technique offers an effective and economical approach which complements traditional benchtop microscopy, by enabling the user to perform high-resolution, longitudinal imaging in situ.

High-resolution Fiber-optic Microendoscopy for in situ Cellular Imaging

In many biological and clinical situations it is advantageous to study cellular processes as they evolve in their native microenvironment. Here we describe the assembly and use of a low-cost fiber-optic microscope which can provide real time imaging in cell culture, animal studies, and clinical patient studies.

Hochauflösende LWL-Mikroendoskopiesysteme für In situ Cellular Imaging

Many biological and clinical studies require the longitudinal study and analysis of morphology and function with cellular level resolution.  ...

Biotechnik

Development of Whispering Gallery Mode Polymeric Micro-optical Electric Field Sensors

Optical modes of dielectric micro-cavities have received significant attention in recent years for their potential in a broad range of applications. The optical modes are frequently referred to as "whispering gallery modes" (WGM) or "morphology dependent resonances" (MDR) and exhibit high optical quality factors. Some proposed applications of micro-cavity optical resonators are in spectroscopy1, micro-cavity laser technology2, optical communications3-6 as well as sensor technology. The WGM-based sensor applications include those in biology7, trace gas detection8, and impurity detection in liquids9. Mechanical sensors based on microsphere resonators have also been proposed, including those for force10,11, pressure12, acceleration13 and wall shear stress14. In the present, we demonstrate a WGM-based electric field sensor, which builds on our previous studies15,16. A candidate application of this sensor is in the detection of neuronal action potential.
The electric field sensor is based on polymeric multi-layered dielectric microspheres. The external electric field induces surface and body forces on the spheres (electrostriction effect) leading to elastic deformation. This change in the morphology of the spheres, leads to shifts in the WGM. The electric field-induced WGM shifts are interrogated by exciting the optical modes of the spheres by laser light. Light from a distributed feedback (DFB) laser (nominal wavelength of ~ 1.3 &mu;m) is side-coupled into the microspheres using a tapered section of a single mode optical fiber. The base material of the spheres is polydimethylsiloxane (PDMS). Three microsphere geometries are used: (1) PDMS sphere with a 60:1 volumetric ratio of base-to-curing agent mixture, (2) multi layer sphere with 60:1 PDMS core, in order to increase the dielectric constant of the sphere, a middle layer of 60:1 PDMS that is mixed with varying amounts (2% to 10% by volume) of barium titanate and an outer layer of 60:1 PDMS and (3) solid silica sphere coated with a thin layer of uncured PDMS base. In each type of sensor, laser light from the tapered fiber is coupled into the outermost layer that provides high optical quality factor WGM (Q ~ 106). The microspheres are poled for several hours at electric fields of ~ 1 MV/m to increase their sensitivity to electric field.

A high-sensitivity photonic micro sensor was developed for electric field detection. The sensor exploits the optical modes of a dielectric sphere. Changes in the external electric field perturb the sphere morphology leading to shifts in its optical modes. The electric field strength is measured by monitoring these optical shifts.

Entwicklung von Whispering Gallery-Modus polymeren Mikro-optische Electric Field Sensoren

Optical modes of dielectric micro-cavities have received significant attention in recent years for their potential in a broad range of applications. The ...

Ingenieurwesen

Fabrication and Testing of Photonic Thermometers

In recent years, a push for developing novel silicon photonic devices for telecommunications has generated a vast knowledge base that is now being leveraged for developing sophisticated photonic sensors. Silicon photonic sensors seek to exploit the strong confinement of light in nano-waveguides to transduce changes in physical state to changes in resonance frequency. In the case of thermometry, the thermo-optic coefficient, i.e., changes in refractive index due to temperature, causes the resonant frequency of the photonic device such as a Bragg grating to drift with temperature. We are developing a suite of photonic devices that leverage recent advances in telecom compatible light sources to fabricate cost-effective photonic temperature sensors, which can be deployed in a wide variety of settings ranging from controlled laboratory conditions, to the noisy environment of a factory floor or a residence. In this manuscript, we detail our protocol for the fabrication and testing of photonic thermometers.

We describe the process of fabrication and testing of photonic thermometers.

Herstellung und Prüfung von photonischen Thermometer

In recent years, a push for developing novel silicon photonic devices for telecommunications has generated a vast knowledge base that is now being ...

Chemie

A Random-displacement Measurement by Combining a Magnetic Scale and Two Fiber Bragg Gratings

Long-distance displacement measurements using optical fibers have always been a challenge in both basic research and industrial production. We developed and characterized a temperature-independent fiber Bragg grating (FBG)-based random-displacement sensor that adopts a magnetic scale as a novel transferring mechanism. By detecting shifts of two FBG center wavelengths, a full-range measurement can be obtained with a magnetic scale. For identification of the clockwise and counterclockwise rotation direction of the motor (in fact, the direction of movement of the object to be tested), there is a sinusoidal relationship between the displacement and the center wavelength shift of the FBG; as the anticlockwise rotation alternates, the center wavelength shift of the second FBG detector shows a leading phase difference of around 90&#176; (+90&#176;). As the clockwise rotation alternates, the center wavelength shift of the second FBG displays a lagging phase difference of around 90&#176; (-90&#176;). At the same time, the two FBG-based sensors are temperature independent. If there is some need for a remote monitor without any electromagnetic interference, this striking approach makes them a useful tool for determining the random displacement. This methodology is appropriate for industrial production. As the structure of the whole system is relatively simple, this displacement sensor can be used in commercial production. In addition to it being a displacement sensor, it can be used to measure other parameters, such as velocity and acceleration.

A protocol to create a full-range linear displacement sensor, combining two packaged fiber Bragg grating detectors with a magnetic scale, is presented.

Eine Zufällige Verschiebungsmessung durch Kombination einer magnetischen Skala und zwei Faser-Bragg-Gitter

Long-distance displacement measurements using optical fibers have always been a challenge in both basic research and industrial production. We developed ...

A Silicon-tipped Fiber-optic Sensing Platform with High Resolution and Fast Response

In this article, we introduce an innovative and practically promising fiber-optic sensing platform (FOSP) that we proposed and demonstrated recently. This FOSP relies on a silicon Fabry-Perot interferometer (FPI) attached to the fiber end, referred to as Si-FOSP in this work. The Si-FOSP generates an interferogram determined by the optical path length (OPL) of the silicon cavity. Measurand alters the OPL and thus shifts the interferogram. Due to the unique optical and thermal properties of the silicon material, this Si-FOSP exhibits an advantageous performance in terms of sensitivity and speed. Furthermore, the mature silicon fabrication industry endows the Si-FOSP with excellent reproducibility and low cost toward practical applications. Depending on the specific applications, either a low-finesse or high-finesse version will be utilized, and two different data demodulation methods will be adopted accordingly. Detailed protocols for fabricating both versions of the Si-FOSP will be provided. Three representative applications and their according results will be shown. The first one is a prototype underwater thermometer for profiling the ocean thermoclines, the second one is a flow meter to measure flow speed in the ocean, and the last one is a bolometer used for monitoring exhaust radiation from magnetically confined high-temperature plasma.

This work reports an innovative silicon-tipped fiber-optic sensing platform (Si-FOSP) for high-resolution and fast-response measurement of a variety of physical parameters, such as temperature, flow, and radiation. Applications of this Si-FOSP span from oceanographic research, mechanical industry, to fusion energy research.

Eine Silizium-bestückte Glasfaser-Sensing-Plattform mit hoher Auflösung und schnelle Reaktion

In this article, we introduce an innovative and practically promising fiber-optic sensing platform (FOSP) that we proposed and demonstrated recently. This ...

Design, Instrumentation and Usage Protocols for Distributed In Situ Thermal Hot Spots Monitoring in Electric Coils using FBG Sensor Multiplexing

Random wound coils are a key operational element of most electric apparatus in modern industrial systems, including low voltage electric machines. One of the major current bottlenecks in improved exploitation of electrical devices is the high sensitivity of their wound components to in-service thermal stress. The application of conventional thermal sensing methods (e.g., thermocouples, resistance temperature detectors) for thermal condition monitoring of current carrying random wound coils can impose considerable operational limitations due to sensor size, EMI sensitivity and the existence of electrically conductive material in their construction. Another substantial limitation exists in distributed sensing applications and is caused by what is often a considerable length and volume of conventional sensor wiring leads.
This paper reports the design of a fiber optic FBG&#160;sensing system&#160;intended for enabling real-time distributed internal thermal&#160;condition monitoring within random wound coils. The procedure of random wound coil instrumentation with the FBG sensing system is reported in a case study on an IEEE standard wound coil representative of those utilized in electrical machines. The reported work also presents and discusses important practical and technical aspects of FBG sensing system implementation and application, including the FBG array geometry design, sensing head and fiber packaging, the sensor array installation and calibration procedure and the use of a commercial interrogation system for obtaining thermal measurements. Finally, the in situ multiplexed FBG sensing system thermal monitoring performance is demonstrated in representative static and dynamic thermal conditions.&#160;

This paper presents a protocol that enables instrumentation of random wound electric coils with fiber Bragg grating (FBG) thermal sensors for the purpose of distributed condition monitoring of internal thermal hot spots.

Design-, Instrumentierungs- und Nutzungsprotokolle für verteilte in Situ-Thermal-Hot Spots-Überwachung in elektrischen Spulen mit FBG-Sensormultiplexing

Random wound coils are a key operational element of most electric apparatus in modern industrial systems, including low voltage electric machines. One of ...

Optimizing Brillouin Optical Time-Domain Analyzers Based on Gain Spectrum Engineering

Demonstrated is a unique method for sensing performance enhancement in Brillouin optical time-domain analyzers (BOTDA). A Brillouin gain spectrum (BGS) is superimposed with two symmetric Brillouin loss spectra (BLS). This leads to a complex engineered spectrum shape that is more resistant to the sensing system noise. Instead of only one pump and probe interaction as in the conventional BOTDA setup, three optical probe waves are exploited, with one probe located in the BGS and the other two symmetrically in the BLS. Due to the resistance and insensitivity of the engineered spectrum shape to the noise, the sensing performance is enhanced by 60% and the measurand resolution is doubled.

A protocol for Brillouin optical time-domain analyzers based on gain spectrum engineering is presented. Enhancements in the sensing performance, including sensing range and measurand resolution are achieved and the excess Brillouin intensity noise is studied. The protocol introduces a new way to enhance distributed Brillouin sensing performance.

Demonstrated is a unique method for sensing performance enhancement in Brillouin optical time-domain analyzers (BOTDA). A Brillouin gain spectrum (BGS) is ...

Herstellung eines Fabry-Pérot-Etalons für den Einsatz in der Spurengasspektroskopie

Fabrication of a Low-Cost, Fiber-Coupled, and Air-Spaced Fabry-P&#233;rot Etalon

Fabry-P&#233;rot etalons (FPE) have found their way into many applications. In fields such as spectroscopy, telecommunications, and astronomy, FPEs are used for their high sensitivity as well as their exceptional filtering capability. However, air-spaced etalons with high finesse are usually built by specialized facilities. Their production requires a clean room, special glass handling, and coating machinery, meaning commercially available FPEs are sold for a high price. In this article, a new and cost-effective method to fabricate fiber-coupled FPEs with standard photonic laboratory equipment is presented. The protocol should serve as a step-by-step guide for the construction and characterization of these FPEs. We hope this&#160;will enable researchers to conduct fast and cost-effective prototyping of FPEs for various fields of application. The FPE, as presented here, is used for spectroscopic applications. As shown in the representative results section via proof of principle measurements of water vapor in ambient air, this FPE has a finesse of 15, which is sufficient for the photothermal detection of trace concentrations of gases.

Autor im Rampenlicht: Herstellung eines kostengünstigen, fasergekoppelten Fabry-Pérot-Etalons mit Luftspalt  

This protocol describes the construction of a low-cost, discrete, fiber-coupled, and air-spaced Fabry-Perot etalon with various applications, such as in trace-gas spectroscopy. The fabrication is possible in any facility with standard optical laboratory equipment available.

Herstellung eines kostengünstigen, fasergekoppelten Fabry-Pérot-Etalons mit Luftspalt

Fabry-P&#233;rot etalons (FPE) have found their way into many applications. In fields such as spectroscopy, telecommunications, and astronomy, FPEs are ...