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 border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="611">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="190">
			<td height="190" style="height:190px;width:139px;">Sensor interrogator</td>
			<td style="width:155px;">Luna Inc.</td>
			<td style="width:147px;">ODiSI-A and -B</td>
			<td style="width:172px;">The two systems differ primarily in speed and spatial resolution</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:139px;">Fusion splicer</td>
			<td style="width:155px;">Fujikura</td>
			<td style="width:147px;">70S</td>
			<td style="width:172px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:139px;">Cleaver</td>
			<td style="width:155px;">Fujikura</td>
			<td style="width:147px;">CT-3A</td>
			<td style="width:172px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:139px;">3-hole jacket stripper</td>
			<td rowspan="2" style="width:155px;">Fiber Instrument Sales</td>
			<td rowspan="2" style="width:147px;">F11301T</td>
			<td rowspan="2" style="width:172px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:139px;">jacket stripper</td>
		</tr>
		<tr height="64">
			<td height="64" style="height:64px;width:139px;">Optical fibers</td>
			<td style="width:155px;">OFS, Specialty Photonics Division</td>
			<td style="width:147px;">BF06160-02</td>
			<td style="width:172px;">Polyimide coating</td>
		</tr>
		<tr height="64">
			<td height="64" style="height:64px;width:139px;">Optical fibers</td>
			<td style="width:155px;">Newport Corp.</td>
			<td style="width:147px;">F-SM1500-4.2/50</td>
			<td style="width:172px;">Acrylate coating</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:139px;">Connector</td>
			<td style="width:155px;">AFL Global</td>
			<td style="width:147px;">FUSE-LC-9U-SMA-6</td>
			<td style="width:172px;"></td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:139px;">Termination fiber</td>
			<td style="width:155px;">OFS, Specialty Photonics Division</td>
			<td style="width:147px;">552 HPWR 040</td>
			<td style="width:172px;"></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

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 ...

Forschung

Ingenieurwesen

High-resolution, High-speed, Three-dimensional Video Imaging with Digital Fringe Projection Techniques

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses triangulation between matching points in two views of the same scene at different angles to compute depth.&#160;However, unlike a stereo-based method, DFP uses a digital video projector to replace one of the cameras1. The projector rapidly projects a known sinusoidal pattern onto the subject, and the surface of the subject distorts these patterns in the camera&#8217;s field of view. Three distorted patterns (fringe images) from the camera can be used to compute the depth using triangulation.
Unlike other 3D measurement methods, DFP techniques lead to systems that tend to be faster, lower in equipment cost, more flexible, and easier to develop.&#160;DFP systems can also achieve the same measurement resolution as the camera.&#160;For this reason, DFP and other digital structured light techniques have recently been the focus of intense research (as summarized in1-5). Taking advantage of DFP, the graphics processing unit, and optimized algorithms, we have developed a system capable of 30&#160;Hz 3D video data acquisition, reconstruction, and display for over 300,000 measurement points per frame6,7.&#160;Binary defocusing DFP methods can achieve even greater speeds8.
Diverse applications can benefit from DFP techniques. Our collaborators have used our systems for facial function analysis9, facial animation10, cardiac mechanics studies11, and fluid surface measurements, but many other potential applications exist.&#160;This video will teach the fundamentals of DFP techniques and illustrate the design and operation of a binary defocusing DFP system.

This video describes the fundamentals of digital fringe projection techniques, which provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;It also demonstrates the design and operation of a high-speed binary defocusing system based on these techniques.

High-Auflösung, High-Speed-, Three-dimensional Imaging mit Digital-Video-Streifenprojektionstechnik

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses ...

Construction of a High Resolution Microscope with Conventional and Holographic Optical Trapping Capabilities

High resolution microscope systems with optical traps allow for precise manipulation of various refractive objects, such as dielectric beads 1 or cellular organelles 2,3, as well as for high spatial and temporal resolution readout of their position relative to the center of the trap. The system described herein has one such "traditional" trap operating at 980 nm. It additionally provides a second optical trapping system that uses a commercially available holographic package to simultaneously create and manipulate complex trapping patterns in the field of view of the microscope 4,5 at a wavelength of 1,064 nm. The combination of the two systems allows for the manipulation of multiple refractive objects at the same time while simultaneously conducting high speed and high resolution measurements of motion and force production at nanometer and piconewton scale.

The system described herein employs a traditional optical trap as well as an independent holographic optical trapping line, capable of creating and manipulating multiple traps. This allows for the creation of complex geometric arrangements of refractive particles while also permitting simultaneous high-speed, high-resolution measurements of the activity of biological enzymes.

Bau einer Hohe Auflösung Mikroskop mit Konventionelle und Holographic Optical Trapping Capabilities

High resolution microscope systems with optical traps allow for precise manipulation of various refractive objects, such as dielectric beads 1 or cellular ...

In-situ Tapering of Chalcogenide Fiber for Mid-infrared Supercontinuum Generation

Supercontinuum generation (SCG) in a tapered chalcogenide fiber is desirable for broadening mid-infrared (or mid-IR, roughly the 2-20 &mu;m wavelength range) frequency combs1, 2 for applications such as molecular fingerprinting, 3 trace gas detection, 4 laser-driven particle acceleration, 5 and x-ray production via high harmonic generation. 6 Achieving efficient SCG in a tapered optical fiber requires precise control of the group velocity dispersion (GVD) and the temporal properties of the optical pulses at the beginning of the fiber, 7 which depend strongly on the geometry of the taper. 8 Due to variations in the tapering setup and procedure for successive SCG experiments-such as fiber length, tapering environment temperature, or power coupled into the fiber, in-situ spectral monitoring of the SCG is necessary to optimize the output spectrum for a single experiment.
	In-situ fiber tapering for SCG consists of coupling the pump source through the fiber to be tapered to a spectral measurement device. The fiber is then tapered while the spectral measurement signal is observed in real-time. When the signal reaches its peak, the tapering is stopped. The in-situ tapering procedure allows for generation of a stable, octave-spanning, mid-IR frequency comb from the sub harmonic of a commercially available near-IR frequency comb. 9 This method lowers cost due to the reduction in time and materials required to fabricate an optimal taper with a waist length of only 2 mm.
	The in-situ tapering technique can be extended to optimizing microstructured optical fiber (MOF) for SCG10 or tuning of the passband of MOFs, 11 optimizing tapered fiber pairs for fused fiber couplers12 and wavelength division multiplexers (WDMs), 13 or modifying dispersion compensation for compression or stretching of optical pulses.14-16

In-situ Tapering of Chalcogenide Fiber for Mid-infrared Supercontinuum Generation

We describe a method for in-situ tapering of As2S3 fibers to achieve efficient mid-infrared supercontinuum generation. By tapering while monitoring the supercontinuum&#x2019;s spectrum, the spectral width can be maximized for a fiber taper. In-situ fiber tapering can be applied to optimize the performance of other fiber-based devices.

In-situ Verjüngung Chalcogenide Fiber für Mid-infrared Supercontinuum-Generation

Supercontinuum  generation (SCG) in a tapered chalcogenide fiber is desirable for broadening mid-infrared  (or mid-IR, roughly the 2-20 &mu;m wavelength ...

Advanced Experimental Methods for Low-temperature Magnetotransport Measurement of Novel Materials

Novel electronic materials are often produced for the first time by synthesis processes that yield bulk crystals (in contrast to single crystal thin film synthesis) for the purpose of exploratory materials research. Certain materials pose a challenge wherein the traditional bulk Hall bar device fabrication method is insufficient to produce a measureable device for sample transport measurement, principally because the single crystal size is too small to attach wire leads to the sample in a Hall bar configuration. This can be, for example, because the first batch of a new material synthesized yields very small single crystals or because flakes of samples of one to very few monolayers are desired. In order to enable rapid characterization of materials that may be carried out in parallel with improvements to their growth methodology, a method of device fabrication for very small samples has been devised to permit the characterization of novel materials as soon as a preliminary batch has been produced. A slight variation of this methodology is applicable to producing devices using exfoliated samples of two-dimensional materials such as graphene, hexagonal boron nitride (hBN), and transition metal dichalcogenides (TMDs), as well as multilayer heterostructures of such materials. Here we present detailed protocols for the experimental device fabrication of fragments and flakes of novel materials with micron-sized dimensions onto substrate and subsequent measurement in a commercial superconducting magnet, dry helium close-cycle cryostat magnetotransport system at temperatures down to 0.300 K and magnetic fields up to 12 T.

We describe the methodology of mechanical exfoliation and deposition of flakes of novel materials with micron-sized dimensions onto substrate, fabrication of experimental device structures for transport experimentation, and the magnetotransport measurement in a dry helium close-cycle cryostat at temperatures down to 0.300 K and magnetic fields up to 12 T.

Erweiterte Experimentelle Methoden für Niedertemperatur-Magneto Messung der Novel Materials

Novel electronic materials are often produced for the first time by synthesis processes that yield bulk crystals (in contrast to single crystal thin film ...

High Resolution Phonon-assisted Quasi-resonance Fluorescence Spectroscopy

High resolution optical spectroscopy methods are demanding in terms of either technology, equipment, complexity, time or a combination of these. Here we demonstrate an optical spectroscopy method that is capable of resolving spectral features beyond that of the spin fine structure and homogeneous linewidth of single quantum dots (QDs) using a standard, easy-to-use spectrometer setup. This method incorporates both laser and photoluminescence spectroscopy, combining the advantage of laser line-width limited resolution with multi-channel photoluminescence detection. Such a scheme allows for considerable improvement of resolution over that of a common single-stage spectrometer. The method uses phonons to assist in the measurement of the photoluminescence of a single quantum dot after resonant excitation of its ground state transition. The phonon&#39;s energy difference allows one to separate and filter out the laser light exciting the quantum dot. An advantageous feature of this method is its straight forward integration into standard spectroscopy setups, which are accessible to most researchers.

The manuscript describes a method of phonon-assisted quasi-resonant fluorescence spectroscopy that incorporates both laser-limited resolution and photoluminescence (PL) spectroscopy. This method utilizes optical phonons to provide linewidth-limited resolution spectra of atom-like semiconductor structures in the energy domain. The method is also easily realized with a single spectrometer optical spectroscopy setup.

Hohe Auflösung Phonon-unterstützte Quasi- Resonanzfluoreszenzspektroskopie

High resolution optical spectroscopy methods are demanding in terms of either technology, equipment, complexity, time or a combination of these. Here we ...

High-resolution Thermal Micro-imaging Using Europium Chelate Luminescent Coatings

Micro-electronic devices often undergo significant self-heating when biased to their typical operating conditions. This paper describes a convenient optical micro-imaging technique which can be used to map and quantify such behavior. Europium thenoyltrifluoroacetonate (EuTFC) has a 612 nm luminescence line whose activation efficiency drops strongly with increasing temperature, due to T-dependent interactions between the Eu3+ ion and the organic chelating compound. This material may be readily coated on to a sample surface by thermal sublimation in vacuum. When the coating is excited with ultraviolet light (337 nm) an optical micro-image of the 612 nm luminescent response can be converted directly into a map of the sample surface temperature. This technique offers spatial resolution limited only by the microscope optics (about 1 micron) and time resolution limited by the speed of the camera employed. It offers the additional advantages of only requiring comparatively simple and non-specialized equipment, and giving a quantitative probe of sample temperature.

Europium thenoyltrifluoroacetonate (EuTFC) has an optical luminescence line at 612 nm, whose activation efficiency decreases strongly with temperature. If a sample coated with a thin film of this material is micro-imaged, the 612 nm luminescent response intensity may be converted into a direct map of sample surface temperature.

Hochauflösende Thermal Micro-Bildgebung Europiumchelatlösung Lumineszente Coatings

Micro-electronic devices often undergo significant self-heating when biased to their typical operating conditions. This paper describes a convenient ...

Nanostructured Ag-zeolite Composites as Luminescence-based Humidity Sensors

Small silver clusters confined inside zeolite matrices have recently emerged as a novel type of highly luminescent materials. Their emission has high external quantum efficiencies (EQE) and spans the whole visible spectrum. It has been recently reported that the UV excited luminescence of partially Li-exchanged sodium Linde type A zeolites [LTA(Na)] containing luminescent silver clusters can be controlled by adjusting the water content of the zeolite. These samples showed a dynamic change in their emission color from blue to green and yellow upon an increase of the hydration level of the zeolite, showing the great potential that these materials can have as luminescence-based humidity sensors at the macro and micro scale. Here, we describe the detailed procedure to fabricate a humidity sensor prototype using silver-exchanged zeolite composites. The sensor is produced by suspending the luminescent Ag-zeolites in an aqueous solution of polyethylenimine (PEI) to subsequently deposit a film of the material onto a quartz plate. The coated plate is subjected to several hydration/dehydration cycles to show the functionality of the sensing film.

A protocol for the synthesis of moisture-responsive luminescent Ag-zeolite composites is described in this report.

Nanostrukturierte Ag-Zeolith-Komposite als Lumineszenz-basierte Feuchtigkeitssensoren

Small silver clusters confined inside zeolite matrices have recently emerged as a novel type of highly luminescent materials. Their emission has high ...

Method for Recording Broadband High Resolution Emission Spectra of Laboratory Lightning Arcs

Lightning is one of the most common and destructive forces in nature and has long been studied using spectroscopic techniques, first with traditional camera film methods and then digital camera technology, from which several important characteristics have been derived. However, such work has always been limited due to the inherently random and non-repeatable nature of natural lightning events in the field. Recent developments in lightning test facilities now allow the reproducible generation of lightning arcs within controlled laboratory environments, providing a test bed for the development of new sensors and diagnostic techniques to understand lightning mechanisms better. One such technique is a spectroscopic system using digital camera technology capable of identifying the chemical elements with which the lightning arc interacts, with these data then being used to derive further characteristics. In this paper, the spectroscopic system is used to obtain the emission spectrum from a 100 kA peak, 100 &#181;s duration lightning arc generated across a pair of hemispherical tungsten electrodes separated by a small air gap. To maintain a spectral resolution of less than 1 nm, several individual spectra were recorded across discrete wavelength ranges, averaged, stitched, and corrected to produce a final composite spectrum in the 450 nm (blue light) to 890 nm (near infrared light) range. Characteristic peaks within the data were then compared to an established publicly available database to identify the chemical element interactions. This method is readily applicable to a variety of other light emitting events, such as fast electrical discharges, partial discharges, and sparking in electrical equipment, apparatus, and systems.

Emission spectroscopy techniques have traditionally been used to analyze inherently random lightning arcs occurring in nature. In this paper, a method developed to obtain the emission spectroscopy from reproducible lightning arcs generated within a laboratory environment is described.

Verfahren zur Aufzeichnung von Breitband-Emissionsspektren von Laborblitzen

Lightning is one of the most common and destructive forces in nature and has long been studied using spectroscopic techniques, first with traditional ...

Installation Method to Enhance Quality Control for Fiber Reinforced Polymer Spike Anchors

Fiber reinforced polymer (FRP) anchors are a promising way to enhance the performance of externally-bonded FRPs applied to existing structures, as they can delay or even prevent debonding failure. However, a major concern faced by designers is the premature failure of the anchors due to stress concentration. Poor installation quality and preparation of the clearance holes can result in stress concentration that provokes this premature failure. This paper deals with an installation method that aims to reduce the impact of the stress concentration and to provide a proper quality control of the preparation of the drill hole. The method involves three parts: the drilling and cleaning of the holes, the smoothing of the hole edges with a customized drill bit, and the installation of the anchor itself, including the impregnation of the anchor dowel and its insertion. Anchor fans (the free length of the spikes) are then bonded to the external FRP reinforcement. For the end anchorage, and in the case of reinforcements with multiple plies, it is recommended that the anchor fan be inserted between two plies to assist the stress-transfer mechanism. 
The proposed procedure is complemented with a design approach for spike anchors, based on an extensive database. It is proposed that the design follow a number of steps, namely: selection of the anchor diameter and subsequent tensile strength of the connector (that is to say, the anchor before fanning out the free end), evaluation of the reduction in the tensile strength due to bending, provision of enough embedment to prevent slippage failure, and consideration of the number and spacing of anchors for a given reinforcement. In this sense, it should be noted that further research is needed in order to obtain a general expression for the contribution of spike anchors to overall bond strength of FRP reinforcements.

This manuscript presents a method for controlling the quality of installation for spike anchors designed to delay delamination of externally bonded fiber reinforced polymers. The protocol includes the preparation of the drill hole and the insertion process. The most influential parameters on the efficiency of the anchors are discussed.

Installationsmethode zur Verbesserung der Qualitätskontrolle für Faser verstärkt Polymer Spike Anker

Fiber reinforced polymer (FRP) anchors are a promising way to enhance the performance of externally-bonded FRPs applied to existing structures, as they ...