超高速光纤传感器帮助实时检测结构损坏
2016-12-17 08:37:54   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，来自东京工业大学和日本学术振兴会的研究团队开发出了一种用于应力和温度测量的实时光纤分布式传感系统。该系统仅需要从光纤的一端注入光即可，并且能实现100kHz的采样速率，相当于将传统速率提高了5000倍。

民生基础建筑的老化降解和地震破坏对社会而言是一个严重的问题。光纤传感是一项极具前景，可用于监测结构状况的技术。将长光纤嵌入到结构内部，就可以检测到结构内部沿光纤周围的应力和温度分布。在各种类型的光纤传感器中，基于布里渊散射的分布式应力和温度传感器颇受青睐，因为它们有较高的灵敏度和稳定性。尤其是布里渊光相关域反射（Brillouin optical correlation-domain reflectometry, 以下简称BOCDR）分布式光纤，其运行主要基于连续光波的关联控制，BOCDR作为单端接入分布式传感技术，具有很高的空间分辨率 （< 1 cm）。然而，BOCDR的最高采样速率为19 Hz，导致分布式测量总时间相对较长（从几十秒到几分钟）。为了解决这个缺点，最近，来自东京工业大学的研究员Yosuke Mizuno和Kentaro Nakamura，以及来自日本学术振兴会的Neisei Hayashi（毕业于东京大学）共同合作，成功地将BOCDR的采样速率提高到100kHz，对比此前速率，相当于提高了5000倍，真正实现了实时分布式测量。相关研究成果发表于2016年12月的《光：科学与应用》（Light：Science & Applications）上。

所有的布里渊传感器都利用布里渊频移（Brillouin frequency shift, 以下简称BFS）来实现应力和温度的传感。对常规BOCDR光纤传感器而言，BFS的获取主要依赖于电气频谱分析仪，利用它对整个布里渊增益光谱（Brillouin gain spectrum, 以下简称BGS）执行频率扫描。因此，电气频谱分析仪的扫描速度将采样速率限制为19 Hz。使用压控振荡器来代替扫描频谱，研究人员得以实现高速采集（图1a）。然而，从BGS导出BFS仍然限制了采样速率。为了进一步加快系统速度，研究人员使用带通滤波器，将BGS转换成同步正弦波形，使得BFS表现出相位延迟。凭借异或（exclusive-OR）逻辑门和低通滤波器，相位延迟最终转换成电压，研究人员就能进行直接测量（图1b）。

图1：高速获取BGS和BFS的原理。a. 通过与扫频微波混合，原本只能在频率域中观测的BGS可以在时域中以高速获取。b. BFS获取。用一个周期的正弦波来近似BGS，并矫正。BGS的相位延迟与BFS相对应，利用异或（exclusive-OR）逻辑门和低通滤波器(LPF)进行检测。输出电压与0 到180°范围内的相位延迟一一对应。

经实验验证，通过检测沿着光纤任意位置施加的1-kHz动态应力，可以得到高达100 kHz的应力采样速率。当分布式测量的100个点用平均10倍的速度执行时，研究人员通过追踪沿光纤传播的机械波来验证100 Hz的重复率（图2）。上述研究人员可谓实现单端接入实时分布布里渊传感系统第一人。

图2：追踪一束传播机械波。被测试光纤的结构示意图和图片，以及应力分布测量的时间变化。

预计该传感系统可对多种结构的健康状况监测提供帮助，包括建筑物、桥梁、风机叶片和飞机机翼。此外，该系统在机器人领域也有潜在应用，如作为电子“神经”对触摸、扭曲和温度变化进行检测。

此项研究受到了JSPS KAKENHI（资助号 25709032、26630180和25007652），以及Iwatani Naoji基金会、SCAT基金会、Konica Minolta科学技术基金会的研究捐赠支持。