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.

Tipo 1. Selezionare ottimale del sensore per applicazioni <ol><li> Scegli lunghezza del sensore sulla base di compromesso tra velocità di campionamento e il numero di punti dati. NOTA: Una campioni interrogatore sensori fino a 50 m di lunghezza a 2.5 Hz e risoluzione &lt;10 mm, mentre gli altri campioni sensori fino a 10 m di lunghezza con una risoluzione di 5 mm e 100 Hz. </li><li> Selezionare un tipo di fibra ottica monomodale sulla base di requisiti relativi ai limiti di servizio temperatura, tempo di risposta, la sensibilità, l&#39;umidità e la configurazione di installazione (nudo o in capillare). NOTA: Qui abbiamo usato 155 micron di diametro single-mode poliimmide rivestita in fibra ottica di Telecom commerciale. NOTA: Vedere tabelle 1 e 2 come esempi di fibre e configurazioni che abbiamo usato nel nostro laboratorio. </li></ol> 2. Installare fibra ottica nella sezione di prova <ol><li> sezione di prova aperta rimuovendo una delle piastre laterali di vetro lunghe. </li><li> Praticare fori del diametro di 1 mmnelle pareti laterali 3 mm al di sotto del coperchio per ancoraggi di filo (Fig. 3). NOTA: Ancore sostengono filo d&#39;acciaio che supportano il sensore. Il passo ancoraggio può essere variata conformemente dimensione del vano e caricamento dinamico previsto dal flusso. Il passo di 20 millimetri usata qui si è dimostrato stabile, con minime vibrazioni del flusso nei pressi di 1 m / sec. Vibrazioni corrompe DTS segnali ed è più problematico con sensori lunghi 15,16. </li><li> String un segmento di filo di acciaio 127 micron diametro attraverso la sezione di prova legandola ad una espansione in ottone a ciascuna estremità del serbatoio. Ripetere fino ci sono un totale di 47 segmenti di filo teso attraverso il serbatoio. </li><li> Tagliare 50 m di fibra ottica utilizzando comunicazione / Elettricisti forbici con riserva per essere consumato nel connettore giunzione e terminazione in fibra (probabilmente &lt;0,5 m, ma dipende dalla competenza a splicing). Raccogliere questa fibra su un rocchetto piccolo, ~ 50 mm di diametro. </li><li> Posare il primo segmento sensore ad un bordo della area scelta per misurare la temperatura ingegnoh matrice di sensori. NOTA: Dopo il primo segmento è fissato in posizione, la fibra verrà ripetuto per un segmento adiacente, in posizione fissa, e più fibra erogato per il segmento successivo in un processo iterativo che costruisce la matrice fino ad esaurimento della fibra. </li><li> Weave la fibra sopra e sotto i fili adiacenti, lavorando da un lato del serbatoio all&#39;altro, fibra erogazione dalla bobina come necessario. NOTA: La fibra è perpendicolare al filo, come mostrato in Fig. 3 con il tessuto di supporto contro la forza di gravità in una direzione e il flusso nell&#39;altra. </li><li> Fissare ciascuna estremità del segmento prima fibra al coperchio con nastro adesivo trasparente convenzionale o nastro poliimmide film. Il primo segmento della matrice è ora in atto. NOTA: Non fissare il sensore tesa come una corda di chitarra, ma piuttosto abbastanza tesa per essere dritto e prendere l&#39;allentamento visibile. Se il sensore viene tensionato, piccole deformazioni del supporto, ad esempio, dilatazioni termichesione del coperchio, cambierà questa tensione e generare anomala offset segnale ed errori di misura. </li><li> Loop la fibra 180 gradi per tornare indietro per il segmento successivo come mostrato in Fig. 4 e nastro al coperchio ad una distanza di 10 mm dal primo segmento. NOTA: Minimizzare il diametro ciclo poiché è &quot;fibra sprecato&quot; (non parte della matrice), ma dovrebbe essere di circa 30 mm o più per sollecitazioni tollerabili. La fibra usata qui è tollerato 30 mm di diametro con passanti per diversi mesi senza alcuna perdita di segnale evidente, ma i limiti varierà con il tipo di fibra. Per la fibra utilizzata qui, il costruttore specifica il &quot;breve termine&quot; limite raggio di curvatura come ≥ 10 mm e limite &quot;a lungo termine&quot;, come ≥ da 17 mm. </li><li> Ancora tessere la fibra tra i fili verso il lato opposto del serbatoio e del nastro in posizione. Ripetere il processo di loop, nastratura, e tessitura fino ad esaurimento della fibra. </li></ol> 3. Connettore Splice e Terminazione di fibra <ol><li> Splice un connettore monomodale LC-tipo ad una estremità della fibra utilizzando una giuntatrice a fusione seguendo le istruzioni del produttore 17. </li><li> Tagliare ~ 0,25 m fibra terminazione con le forbici / comunicazione elettricista e giuntare all&#39;altra estremità della fibra, di nuovo con una giuntatrice a fusione seguendo le istruzioni del produttore. NOTA: Questa assemblea (fibra, connettore, e la terminazione) saranno ora indicato come un &quot;sensore&quot;. La fibra terminazione disperde segnale residuo dalla impulso laser per evitare di tornare al interrogatore. </li></ol> 4. Configurazione del sensore <ol><li> Inserire il connettore fine LC-tipo del sensore nella porta interrogatore e avviare il software di configurazione. </li><li> Generare dati del sensore ampiezza selezionando &quot;acquisizione&quot; (distinto da dati di temperatura), che viene visualizzata automaticamente quando la scansione è completata. NOTA: La traccia di un sensore con buone giunzioni avrà il genecaratteristiche ral mostrate in Fig. 5. Un povero giunzione può essere indicata da un rumore di fondo indistinto o riflessione dominante in cui è previsto il connettore. Se si sospetta un povero giunzione, tornare al punto 3 e ripetere la procedura di splicing. </li><li> Selezionare la porzione attiva del sensore trascinando il cursore giallo mostrata sullo schermo all&#39;inizio del sensore e il cursore rosso alla fine. </li><li> Dare il sensore di un nome e selezionare &quot;salvare i file dei sensori&quot;. NOTA: Il sensore è ora configurato e pronto per l&#39;uso. </li><li> Chiudere il software di configurazione e passare al software di misura. </li></ol> 5. Mappa del sensore di posizione della sezione di prova <ol><li> Avviare il software di misura interrogatore e caricare il sensore appena configurato. </li><li> Collegare un saldatore ad un trasformatore variabile impostato a ~ 40%, preriscaldamento per 5-10 min. NOTA: Il saldatore genera picchi di temperatura locale per la mappatura. Un saldatore lattina melt il rivestimento in fibra e rovinare il sensore in modo da iniziare con un&#39;impostazione bassa del trasformatore, utilizzando solo energia sufficiente per ottenere i punti chiari. A C spike 10-20 ° sufficiente per questo processo. </li><li> Selezionare &quot;misura&quot; nel software interrogatore per tracciare dati in tempo reale sullo schermo. </li><li> Zoom indietro per visualizzare l&#39;intero sensore sullo schermo. </li><li> Tenere saldatore vicino al sensore e brevemente toccare al primo punto di mappatura, qui la più lontana segmento dalla bocca dove incontra il coperchio (Fig. 4). </li><li> posizione Record di picco di temperatura indicato dal software insieme alla posizione fisica corrispondente all&#39;interno del vano. </li><li> Ripetere 5,5-5,6 per mappare i punti finali di tutti i 49 segmenti. </li></ol> 6. Sensore di base: Il collegamento alla temperatura assoluta <ol><li> Norme di posizione di uno o più di temperatura, ad esempio, TC o rilevatore di temperatura di resistenza (RTD), vicino alle DTS per servire come standard di collegamento DTS letture per te assolutamperature. </li><li> Chiudere il serbatoio sostituendo la lastra di vetro lato lungo che è stato rimosso nel passaggio 2.1. </li><li> Isolare il serbatoio avvolgendolo in coperte o pannelli isolanti convenzionali e lasciare riposare durante la notte per creare un&#39;atmosfera isotermica. </li><li> Avviare il software interrogatore, selezionare &quot;base&quot; (o &quot;tara&quot;), e allo stesso tempo nota / registrare il TC (o RTD) lettura. Quando il software è finito con la linea di base, selezionare &quot;misura&quot; per tracciare i dati in tempo reale per esaminare la qualità della linea di base. NOTA: Questo passaggio critico stabilisce la base DTS e il segnale dovrebbe indicare zero, cioè, DT (x) = 0 ± una frazione di grado. D&#39;ora in poi, il segnale varia la temperatura del serbatoio diverge dalla temperatura di riferimento: DT (x) = T (x) abs - Base T, dove T (x) abs è la temperatura assoluta lungo la fibra e la base T è la linea di base temperatura di 6,18. Se il test di section è nonisothermal, base T sarà in funzione della posizione, vale a dire, base T (x), e la precisione sarà compromessa a meno di base T (x) è mappato con più di una TC o RTD (vedi sezione di discussione). Non ti muovere o toccare il sensore fino al passaggio 7 è completato. Tendendo in alcun modo può introdurre compensazioni che possono degradare la precisione di misura. </li><li> Esaminate il segnale in tensione, che non dovrebbe deriva lontano da zero. Se la deriva è eccessiva per l&#39;applicazione (il nostro limite è di circa 0,5 ° C dopo ~ 5 min), concedere più tempo per la sezione di prova per raggiungere l&#39;equilibrio termico e / o migliorare l&#39;isolamento (vedi nota sotto) e poi ripetere il passaggio 6.4. NOTA: La qualità del segnale è sempre meglio subito dopo il basale e verrà deriva nel tempo a seconda della distribuzione di temperatura all&#39;interno del vano. periodi buon isolamento e di lunga attesa prima rivestimento di base ridurrà la deriva e l&#39;errore di misurazione. Sizeable, rapidi derive indicano la sezione di prova non èisotermica, che alla fine porterà a misurazioni imprecise. </li><li> Selezionare la funzione di registrazione nel software interrogatore e registrare 10-100 scansioni di dati DTS per le stesse condizioni stagnanti, isoterme solo utilizzati per generare la linea di base. Record anche la lettura TC / RTD. NOTA: Si tratta di dati di riserva per i controlli post-test di compensazioni che possono essere generati dal ceppo di flusso o deformazione inattesa della sezione di prova o di supporti. </li></ol> 7. Test Run <ol><li> Accendere il compressore per generare un flusso d&#39;aria e regolare regolatori di flusso per abbinare portate a 1,25 kg / sec per ciascun canale. NOTA: la velocità media dell&#39;aria aspirata è di 1,1 m / sec e numero di Reynolds è 10.000. </li><li> Impostare potenza di riscaldamento di 600 W per riscaldare il getto ad est di 20 ° C al di sopra del getto ad ovest, che è a temperatura ambiente. </li><li> Lasciare che il sistema per eseguire durante la notte per raggiungere l&#39;equilibrio. </li><li> Il giorno successivo esaminare dal vivo segnale DTS per valutare i livelli di rumore. Selezionare il sensore &quot;gage length &quot;nel software di raggiungere livelli di rumore accettabili (un calibro 30 millimetri è usato qui). NOTA: lunghezza Gage corrisponde al sensore risoluzione spaziale. In generale, il segnale rumore aumenta la lunghezza calibro diminuisce e la vibrazione aumenta flusso indotto (vedi manuale d&#39;uso e riferimento 13 e 14). </li><li> Log 2.000 DTS scansioni a 4 Hz. </li><li> Spegnere riscaldatore e il flusso d&#39;aria. Lasciate che il serbatoio di sedersi durante la notte per raggiungere l&#39;equilibrio e registrare 10-100 DTS scansioni per completare il set di dati pre-test salvato per post-test di offset controlli. </li></ol> Analisi 8. Dati <ol><li> Selezionare la funzione post-elaborazione nella finestra principale del software interrogatore e importare i dati di test, che è in un formato binario proprietario. </li><li> Esportare i dati in un file di testo che può essere letto da fogli di calcolo tradizionali. NOTA: Questi dati rappresentano DT misurato lungo la fibra dove DT (x) = T (x) ABS - base T. Esso non contiene alcun riferimento allaposizione nella sezione di prova (vedi Fig. 6). Ulteriori dettagli sono disponibili nella guida dell&#39;utente interrogatore e riferimenti 6 e 16 per questo passo e il prossimo. </li><li> Importa i dati di testo in un foglio di calcolo convenzionale e convertire alla temperatura assoluta con l&#39;aggiunta della linea di base T, misurata da TC o RTD al punto 6.4, a tutti i dati. NOTA: La conversione di temperatura assoluta è semplicemente una correzione di offset valore singolo: T (x) = abs DT (x) + T di base dal momento che abbiamo stabilito che la sezione di prova è stato isotermico durante basale. </li><li> Utilizzare il software foglio di calcolo o simile programma di manipolazione dei dati per scomporre i dati T (X) e la mappa di posizioni fisiche all&#39;interno della sezione di prova come quello mostrato nelle figure 7 e 8. NOTA: Il programma utilizzerà i dati raccolti con il saldatore al punto 5. </li></ol>

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	<li>Raffel, M., Willert, C., Wereley, S., Kompenhans, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Particle Image Velocimetry. , (2007).</li><li>Adrian, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Twenty+years+of+particle+image+velocimetry.">Twenty years of particle image velocimetry.</a> Exp. Fluids. 39, 159-169 (2015).</li><li>Vetrano, M. R., Simonini, A., Steelant, J., Rambaud, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+characterization+of+a+flashing+jet+by+planar+laser-induced+fluorescence.">Thermal characterization of a flashing jet by planar laser-induced fluorescence.</a> Exp. Fluids. 54, 1573-1583 (2013).</li><li>Dahikar, S. K., Sathe, M. J., Joshi, J. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Investigation+of+flow+and+temperature+patterns+in+direct+condensation+using+PIV,+PLIF+and+CFD.">Investigation of flow and temperature patterns in direct condensation using PIV, PLIF and CFD.</a> Chem. Eng. Sci. 65, 4606-4620 (2010).</li><li>Ju&#353;kaitis, R., Mamedov, A. M., Potapov, V. T., Shatalin, S. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Distributed+interferometric+fiber+sensor+system.">Distributed interferometric fiber sensor system.</a> Opt Lett. 17 (22), 1623-1625 (1992).</li><li>Gifford, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Swept-wavelength+interferometric+interrogation+of+fiber+Rayleigh+scatter+for+distributed+sensing.">Swept-wavelength interferometric interrogation of fiber Rayleigh scatter for distributed sensing.</a> Proc. SPIE. 6770, (2007).</li><li>Kreger, S., Gifford, D., Froggatt, M., Soller, B., Wolfe, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+resolution+distributed+strain+or+temperature+measurements+in+single-+and+multi-mode+fiber+using+swept-wavelength+interferometry.">High resolution distributed strain or temperature measurements in single- and multi-mode fiber using swept-wavelength interferometry.</a> Optical Fiber Sensors. 2006, (2006).</li><li>Bersan, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Application+of+a+high+resolution+distributed+temperature+sensor+in+a+physical+model+reproducing+subsurface+water+flow.">Application of a high resolution distributed temperature sensor in a physical model reproducing subsurface water flow.</a> Measurement. , (2015).</li><li>Bao, X., Chen, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+progress+in+distributed+fiber+optic+sensors.">Recent progress in distributed fiber optic sensors.</a> Sensors. 12, 8601-8639 (2012).</li><li>Ukil, A., Braendle, H., Krippner, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Distributed+temperature+sensing:+review+of+technology+and+applications.">Distributed temperature sensing: review of technology and applications.</a> IEEE Sensors J. 12 (5), 885-892 (2012).</li><li>Zhou, D., Qin, Z., Li, W., Chen, L., Bao, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-spatial-resolution+distributed+vibration+measurement+using+time-resolved+optical+frequency-domain+reflectometry.">High-spatial-resolution distributed vibration measurement using time-resolved optical frequency-domain reflectometry.</a> Proc. SPIE 22nd Int. Conf. Optical Fiber Sensors. 8421, 842115 (2012).</li><li>Ding, F., Wang, L., Fang, N., Huang, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+study+on+humidity+sensing+using+a+FBG+sensor+with+polyimide+coating.">Experimental study on humidity sensing using a FBG sensor with polyimide coating.</a> SPIE-Int Soc Opt. Eng. 7990, (2011).</li><li>Palmieri, L., Schenato, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Distributed+optical+fiber+sensing+based+on+Rayleigh+Scattering.">Distributed optical fiber sensing based on Rayleigh Scattering.</a> Open Optics J. 7 (1), 104-127 (2013).</li><li>Bhargava, P., Chuang, C. K., Chen, K., Zehnder, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Moisture+diffusion+properties+of+HFPE-II-52+polyimide.">Moisture diffusion properties of HFPE-II-52 polyimide.</a> J Appl Polymer Sci. 102 (4), 3471-3479 (2006).</li><li>Lomperski, S., Gerardi, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Assessment+of+distributed+fiber+optic+sensors+for+flow+field+temperature+mapping.">Assessment of distributed fiber optic sensors for flow field temperature mapping.</a> Proc. ASME 2014 4th Joint US-European Fluids Engineering Division Summer Meeting and 12th International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels. , 8 (2014).</li><li>Lomperski, S., Bremer, N., Gerardi, C., Lisowski, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Performance+assessment+of+a+50+m-long+fiber+optic+distributed+temperature+sensor+in+a+fluid+dynamics+experiment.">Performance assessment of a 50 m-long fiber optic distributed temperature sensor in a fluid dynamics experiment.</a> , (2016).</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Fusion Splicer 70S Instruction Manual. Fujikura Ltd., 70S_Rev2. , (2013).</li><li>Lomperski, S., Gerardi, C., Pointer, W. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fiber+optic+distributed+temperature+sensor+mapping+of+a+jet+mixing+flow+field.">Fiber optic distributed temperature sensor mapping of a jet mixing flow field.</a> Exp. Fluids. 56, 16 (2015).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

Abbiamo dimostrato l&#39;utilizzo di un DTS in un esperimento fluidodinamica. Il vantaggio principale di questi sensori è il grande numero di punti di misurazione che possono essere ottenuti da un singolo sensore. I DTS utilizzati qui generati dati a 4.067 punti su un piano di 0,5 x 0,8 m, ben oltre i limiti praticabili di sensori point convenzionali come termocoppie. Mentre tale densità dei dati può essere superata mediante tecniche ottiche come il laser fluorescenza indotta (LIF), una DTS funzionerà in fluidi e applicazioni che non hanno accesso ottico opaco. L&#39;alta densità di dati di un DTS è adatto per esperimenti coinvolti nella computazionale fluidodinamica validazione del codice. Baselining è il passo fondamentale nel protocollo e centrale nel determinare la precisione di misura. Una sezione di prova isotermica è essenziale per garantire l&#39;intero DTS è ad una temperatura quando baselined. Se questo non è possibile, base T diventa base T (x), che dovrebbe essere MAPPcato da più TC collocati in prossimità dei DTS. Anche se la qualità della linea di base può essere migliorata in questo modo, complica il processo di mappatura basale DTS alle norme per la conversione alla temperatura assoluta. Essere sempre alla ricerca di fonti di tensione dopo la linea di base, che può introdurre cambiamenti di segnale imprevedibili. Tali fonti sono, per esempio, sezione di prova dilatazione termica che si estende il sensore, il movimento dei supporti, caricamento dinamico da alte portate, o vibrazioni indotto dal flusso. Le misurazioni pre e post-test in condizioni isoterme contribuiranno a identificare tali problemi. sensibilità Strain è il difetto principale di questa Rayleigh scattering di DTS-based. A differenza dei sensori convenzionali come termocoppie, è sensibile alle manipolazioni, umidità e vibrazioni. Questi problemi sono più rilevanti per la configurazione del sensore nuda dimostrato qui, ma molto meno importante per i sensori alloggiati nei capillari. A differenza dei sensori tradizionali, un DTS non può essere procurato con documenti tracciando ad uno standard di calibrazione riconosciuta come NIST (National Institute of Standards and Technology). In-situ sono calibrazioni necessarie, preferibilmente con una sezione di prova isotermica, che può essere difficile in alcuni applicazioni. La vibrazione è di particolare interesse per le fibre nude appesi ad una grande sezione di prova. Abbiamo avuto successo mescolato con un allineamento verticale orientata che si estende lungo l&#39;asse della vasca a lunghezze di segmento di 1,7 m. Una configurazione con 28 metri di fibra e 16 segmenti ottenuto buoni risultati durante uno studio di 18, ma i tentativi di estenderla a 53 m con 29 segmenti ha avuto successo 16. In generale, il segnale rumore per qualsiasi lunghezza e configurazione di sensore può essere ridotto aumentando la lunghezza dell&#39;estensimetro su cui il software interrogatore calcola lo spostamento segnale di Rayleigh, ma questo riduce la risoluzione spaziale efficace. ogni Applicazione deve colpire il proprio equilibrio tra il rumore del segnale e la risoluzione spaziale. Ancora, tali difficoltà possono essere ampiamente evitati ospita il sensore in un capillare a scapito del tempo di risposta termica prolungato. Questa tecnologia relativamente nuova misurazione della temperatura richiede uno sviluppo per ridurre la suscettibilità alle vibrazioni. Molto di questo lavoro sarà necessariamente comportare l&#39;hardware e il software interrogatore. I sensori stessi possono anche essere migliorati per ridurre la sensibilità ai cambiamenti di gestione e di umidità, che sono colpiti da rivestimenti in fibra. Il lavoro potrebbe concentrarsi su sviluppo di rivestimenti superiori alla poliimmide e fibre acriliche rivestite attualmente in commercio.

fluidodinamica computazionale (CFD) codici vengono utilizzati per simulare una grande varietà di sistemi fluidi, dal flusso d&#39;aria intorno aerei e automobili fino arteriosa flusso sanguigno. La portata e la fedeltà di tali simulazioni sono cresciuti con la disponibilità di potenza di calcolo. Tuttavia, nonostante la sofisticazione delle simulazioni avanzate, la loro accuratezza e l&#39;affidabilità sono spesso difficili da quantificare. In pratica, l&#39;accuratezza di codici CFD viene valutata confrontando simulazioni con dati sperimentali in un processo chiamato validazione del codice. Un tipico insieme di dati sperimentali consiste principalmente di misure di velocità e temperatura, sia la risoluzione spaziale e temporale ideale di elevata per facilitare la convalida del codice rigoroso. Campi di velocità possono essere mappati ad alta risoluzione utilizzando l&#39;immagine di particelle velocimetria (PIV), una tecnica di 1,2 ottica consolidata. Al contrario, è difficile mappare campi di temperatura con risoluzione paragonabile a quella di PIV. Optical tecniche come la fluorescenza indotta da laser sono disponibili 3,4, ma richiedono telecamere e relativamente laser ad alta potenza, e non sono adatti per fluidi opachi. Un&#39;alternativa è disponibile nella tecnica relativamente nuova di rilevamento della temperatura distribuita sulla base di scattering di Rayleigh e spazzato lunghezza d&#39;onda interferometria (SWI) 5-7. Migliaia di misure di temperatura possono essere acquisiti lungo una singola fibra ottica. Un sensore di temperatura distribuita (DTS) può estendersi su grandi campi di flusso e la funzione in ambienti che non sono adatti per le tecniche di image-based 8. Ci sono anche DTSS basato su Raman e Brillouin dispersione 9,10, ma basato su sensori Rayleigh scattering SWI forniscono risoluzione spaziale e temporale più adatto per tipici esperimenti fluidodinamica. Anche se DTSS densità di offerta di dati ben al di là dei sensori tradizionali come termocoppie (TCS), sensori basati su Rayleigh scatteanello di rispondere per la tensione e la temperatura 11. Se il rivestimento della fibra è igroscopico, sensori reagiscono anche all&#39;umidità cambia 12,13. L&#39;assorbimento di vapore acqueo gonfia il rivestimento mentre desorbimento restringe 14, quali ceppi la fibra di vetro sottostante e altera il segnale. Di conseguenza, la precisione è influenzata dalla manipolazione, vibrazioni e variazioni di umidità relativa. Questo è molto diverso da sensori tradizionali e metodi di installazione e di misura in modo non convenzionale deve essere osservato per ottenere dati precisi. Questo documento illustra l&#39;utilizzo di un DTS in un esperimento di miscelazione termica, presentando un protocollo e linee guida per assicurare la precisione. I DTS usati qui si basa sulla rilevazione e l&#39;analisi di scattering di Rayleigh all&#39;interno di una guida d&#39;onda in fibra ottica. Una distribuzione casuale di impurità e varianti strutturali lungo il nucleo della fibra dà luogo ad un pattern retrodiffusione che è unico per la fibra e generalmente stabile. Lo spettro e l&#39;ampiezzadi questo modello può essere letto a servire come firma fibra. I cambiamenti fisici quali sbalzi termici o ceppo alterano la firma in modo ripetibile, e rilevando le variazioni di firma è la base per utilizzando la fibra come sensore. La Figura 1 illustra i componenti principali del dispositivo sensore optoelettronico, chiamato ottica distribuita interrogatore sensore, e indicato qui semplicemente come &quot;interrogatore&quot;. In una tecnica nota come barriere d&#39;onda interferometria, un laser a bassa potenza sintonizzabile lancia un segnale a banda stretta nella fibra ai fini della registrazione risultante backscatter 5-7. Il laser viene spazzato attraverso un intervallo di parecchi nanometri e il segnale diviso tra le gambe di riferimento e misurazione. luce diffusa dal sensore viene combinato con il segnale di riferimento per generare segnali di disturbo ai rivelatori. uscita del rivelatore è digitalizzato e analizzati per recuperare il segnale di scattering di Rayleigh. il Raylefirma IGH degli spostamenti del sensore in cui la temperatura del sensore (deformazione, o di umidità) cambia lunghezza d&#39;onda. L&#39;entità di questo spostamento di lunghezza d&#39;onda è relativo al sensore sensibilità, che è una costante fisica associata al tipo di fibra, che ha un fattore di calibrazione analogo al coefficiente Seebeck di un TC. La Figura 2 mostra la vasca di vetro che funge da sezione di prova utilizzato in questo studio. La telecamera dietro il serbatoio dà un senso di scala. L&#39;aria entra attraverso due condotti esagonali e mescola prima di uscire attraverso uno sfiato. Per evidenziare i getti, un flusso di flusso è stato seminato con nebbia d&#39;olio, mentre l&#39;altra è rimasta aria pura. Il coperchio del serbatoio ha una finestra coperta con uno schermo di polimero nero. Anche se non visibile nella foto, il DTS è sospeso sotto lo schermo nero. A 50 m di lunghezza DTS è stato montato sotto il coperchio del serbatoio, come mostrato in Fig. 3. E &#39;stata ricavata da 155 micron di diametro fibra ottica poliimmide rivestitae appeso a 127 micron di diametro del filo di acciaio teso tra pannelli di estremità del serbatoio. Il sensore è stata tessuta attraverso il filo in modo alternato e loop avanti e indietro attraverso il serbatoio di 49 volte. Si estende su un piano di 0,5 x 0,8 m e genera 1.355 punti dati indipendenti a 4 Hz e risoluzione spaziale di 30 mm, 4.067 punti dati quando sovracampionato con distanza di 10 mm. Tali dati di temperatura elevata densità integra i dati di velocità e aumenta il valore di set di dati per la convalida CFD. Il protocollo delinea il processo di selezione del sensore, la fabbricazione e la configurazione pur concentrandosi sui particolari preoccupazioni in utilizzando i DTS in un esperimento dinamica dei fluidi.

<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

L&#39;affidabilità di fluidodinamica computazionale (CFD) codici è verificata confrontando le simulazioni con i dati sperimentali. Un tipico insieme di dati consiste principalmente di letture di velocità e temperatura, sia idealmente ad elevata risoluzione spaziale e temporale per facilitare la convalida del codice rigoroso. Mentre alta risoluzione dati velocità è facilmente ottenuto attraverso tecniche di misurazione ottica, come immagine di particelle velocimetria, si è dimostrato difficile ottenere dati di temperatura con risoluzione simile. I sensori tradizionali come termocoppie non possono ricoprire questo ruolo, ma il recente sviluppo di sensori distribuiti sulla base di scattering di Rayleigh e-onda spazzato interferometria offre una risoluzione adatta per il lavoro di validazione del codice di CFD. Migliaia di misure di temperatura possono essere generati lungo una singola fibra ottica sottile a centinaia di Hertz. I sensori funzionano su grandi intervalli di temperatura ed entro i liquidi opachi in cui tecniche ottiche non sono adatti. Ma questo tipo di sensoreè sensibile alla deformazione e l&#39;umidità e la temperatura e quindi la precisione è influenzata da manipolazione, vibrazioni e variazioni di umidità relativa. Tale comportamento è molto diverso da sensori tradizionali e sono necessarie per garantire misurazioni accurate procedure di installazione e funzionamento in modo non convenzionale. Questo documento dimostra attuazione di un sensore di temperatura distribuita Rayleigh scattering tipo in un esperimento di miscelazione termico coinvolge due getti d&#39;aria a 25 e 45 ° C. Vi presentiamo i criteri per guidare la selezione di fibra ottica per il sensore e descrivere setup di installazione per un esperimento del getto di miscelazione. Illustriamo baselining sensore, che collega le letture ad un livello di temperatura assoluta, e discutere questioni pratiche come ad esempio gli errori dovuti al flusso indotta vibrazioni. Questo materiale può aiutare coloro che sono interessati a misure di temperatura con elevata densità di dati e la larghezza di banda per gli esperimenti dinamica dei fluidi e applicazioni simili. Evidenziamo insidie ​​specifiche per questi sensori per considezione nel disegno esperimento e funzionamento.

I dati grezzi DTS è tracciata nella fig. 6 mostra DT misurato dalla temperatura basale (circa 20 ° C) in funzione della distanza lungo il sensore. I dati sono &quot;grezzi&quot;, nel senso che esso non ha né stato convertito alla temperatura assoluta né mappato a posizioni fisiche all&#39;interno della sezione di prova. I dati si basa su una lunghezza calibro 30 mm, che fornisce 1.666 misurazioni indipendenti per tutta la lunghezza del sensore di 50 m. Il calibro 30 millimetri è stato applicato ad intervalli di 10 mm in una modalità di sovracampionamento che aumenta il numero di punti dati a 5.000. Tale densità dei dati non è possibile con i sensori convenzionali come TC. A x = 0 in Fig. 6 il sensore è all&#39;estremità orientale del serbatoio, e come x accresce loop avanti e indietro verso l&#39;estremità ovest. Picchi si verificano in cui il sensore passa sopra il getto est calda e poi dissolvenza dove è sopra il je ovest freddot. La trama illustra come anche il segnale grezzo da una singola DTS in grado di fornire una rappresentazione di base della temperatura su una piuttosto ampia regione. Notare il rumore del segnale verso l&#39;estremità ovest della fibra, che è dovuto alla vibrazione indotto dal flusso. Sebbene vibrazione non era visibile a occhio nudo, era sufficiente a degradare il segnale e vediamo questo problema più spesso con sensori lunghe (&gt; 10 m). I dati grezzi è mappato sulla sezione di prova in Fig. 7, che mostra la temperatura in tutto il piano di misura 0,5 x 0,8 m formato dalla matrice DTS. Il punto di vista è da sopra serbatoio guardando verso il basso sul coperchio. Lineamenti di canali esagonali sono compresi come un aiuto di orientamento. Il profilo è basato su 4.067 punti di dati in quanto le spire nastrate sotto il coperchio sono esclusi. interpolazione lineare tra i segmenti adiacenti sensore è stato usato per creare il contorno 2D. the contorno fornisce un chiaro senso del modello termico sotto il coperchio con una regione calda sopra il getto est, ma non è centrata intorno ad esso. Anche evidente è una simmetria di massima intorno al piano mediano del serbatoio, che è y = 0 sul terreno. Questo tipo di dati di temperatura è un complimento utile per i dati di velocità in fluidodinamica studi che coinvolgono miscelazione termica e il trasferimento di calore. validazione del codice rigoroso richiede tali dati ad alta risoluzione per entrambi i campi di temperatura e velocità. Gli stessi dati rilevati possano essere utilizzati per rivelare la grandezza delle fluttuazioni di temperatura. I RMS (scarto quadratico medio) del set di dati di scansione 2.000 sono tracciati in figura 8. Magenta segna la regione in cui le fluttuazioni di temperatura sono relativamente elevati. Questo è anche una regione di elevata turbolenza in cui i due getti aumento interagiscono come incidano sul coperchio. dati RMS è utile per modellare la turbolenza nel contesto di miscelazione termica. Figura 1. Interrogator schematica. Componenti Principio di ottica interrogatore sensore distribuito per le misure di temperatura. Il sistema si basa su lunghezza d&#39;onda spazzato interferometria, che caratterizza la firma Rayleigh backscatter del sensore. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54076/54076fig1large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="figura 2" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig2.jpg" /> Figura 2. sezione di prova a getto d&#39;aria di miscelazione esperimento:. L&#39;aria entra serbatoio attraverso base tramite due condotti esagonali e miscele prima di uscire attraverso la parte superiore di sfiato. Lo schermo nero che copre la finestra coperchio è 3 mm sopra il DTS (non visibile). <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54076/54076fig2large.jpg" target="_blank">Pl</a>facilità clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig3.jpg" /> Figura 3. DTS configurazione di montaggio. Vista dall&#39;alto del carro armato che mostra DTS intrecciati tra fili di sostegno in acciaio infilate attraverso l&#39;asse lungo della vasca. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54076/54076fig3large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig4.jpg" /> Figura 4. DTS primo piano. Close-up fotografia di DTS con la vista dall&#39;interno del serbatoio verso l&#39;alto ad coperchio per mettere in evidenza i loop del sensore, l&#39;attaccamento, e la posizione del primo punto di prova da mappare con saldatore. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54076/54076fig4large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questo fi</a>figura. <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig5.jpg" /> Figura 5. segnale di scattering di Rayleigh. Tipico segnale di scattering di Rayleigh registrato con utility di configurazione del sensore (sonda breve qui mostrato per chiarezza). La corretta terminazione genererà goccia segnale acuto al rumore di fondo. Il leggero passo di segnale e di riflessione modesta sul connettore è caratteristica di un connettore correttamente impiombato. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54076/54076fig5large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 6" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig6.jpg" /> Figura 6. I dati grezzi DTS. Una singola scansione di DTS dati grezzi con il getto est calda a 45 ° C e jet ovest freddo a 25 ° C. Picchi si verificano in cui il sensore è direttamente<html> sopra getto caldo. Ricordiamo che il sensore sia loop avanti e indietro tra le pareti del serbatoio. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54076/54076fig6large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 7" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig7.jpg" /> Figura 7. misurata la temperatura dell&#39;aria sotto il cappuccio. DTS dati grezzi convertiti alla temperatura assoluta e mappati alla posizione fisica all&#39;interno del serbatoio. I dati sulla base di 2.000 scansioni registrati a 4 Hz. spaziatura dati 10 mm per un totale di 4.067 punti dati tracciati. interpolazione lineare utilizzato per riempire le regioni tra i segmenti del sensore. Esagoni mostrano le posizioni di insenature. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54076/54076fig7large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> 54076fig8.jpg &quot;/&gt; Figura 8. Root Mean Square (RMS) della temperatura misurata. RMS di dati tracciati in Fig. 7. Magenta indica le fluttuazioni di temperatura elevata e miscelazione termica di getti caldi e freddi. Esagoni mostrano le posizioni di insenature. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54076/54076fig8large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Tabella 1" src="/files/ftp_upload/54076/54076table1.jpg" /> Tabella 1. ordine di tempo di risposta termica grandezza per i tipi di fibra selezionati e configurazioni abitative in flussi incrociati a 1 m / sec e 20 ° C. <img alt="Tabella 2" src="/files/ftp_upload/54076/54076table2.jpg" /> Tabella 2. limiti di temperatura di funzionamento approssimativo e le sensibilità di umidità per le configurazioni di rivestimento selezionati.

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Fiber Optic Distributed Sensors for High-resolution Temperature Field Mapping

Si dimostra l&#39;uso di un sensore distribuito in fibra ottica per la mappatura del campo di temperatura di miscelazione getti d&#39;aria. Il sensore dispersione a base Rayleigh genera migliaia di punti di dati lungo una singola fibra per fornire risoluzione spaziale eccezionale che è irraggiungibile con sensori tradizionali quali termocoppie.

Fibre ottiche sensori distribuiti per alta risoluzione Mappatura temperatura Campo

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

fiber-optic-distributed-sensors-for-high-resolution-temperature-field

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Engineering

11.9K Views.  Argonne National Laboratory.  Si dimostra l'uso di un sensore distribuito in fibra ottica per la mappatura del campo di temperatura di miscelazione getti d'aria. Il sensore dispersione a base Rayleigh genera migliaia di punti di dati lungo una singola fibra per fornire risoluzione spaziale eccezionale che è irraggiungibile con sensori tradizionali quali termocoppie. 

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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.

Metodo per la raccolta simultanea dei dati fMRI/EEG durante un suggerimento di attenzione focalizzata per la sensazione termica differenziale

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 ...

Ricerca

Comportamento

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.

Rinnovo di superficie: un metodo avanzato micrometeorologici per la misurazione e l&#39;elaborazione del campo scala dell&#39;energia densità di flusso di dati

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

Ambiente

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.

Ad alta risoluzione in fibra ottica per Microendoscopy In situ Cellular Imaging

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

Bioingegneria

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.

Sviluppo di Whispering Galleria polimerici modalità micro-ottici sensori di campo elettrico

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

Ingegneria

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.

Fabbricazione e collaudo di termometri fotonici

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

Chimica

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.

Misurazione a spostamento casuale combinando una scala magnetica e due griglie in fibra Bragg

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.

Una piattaforma con punta di silicio di rilevamento in fibra ottica ad alta risoluzione e risposta veloce

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.

Protocolli di progettazione, strumentazione e utilizzo per il monitoraggio degli hot spot termici in situ in situ in bobine elettriche utilizzando il multiplexing dei sensori FBG

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 ...

Fabbricazione di un etalon di Fabry-Pérot per l'applicazione nella spettroscopia di gas in tracce

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.

Autore in primo piano: Fabbricazione di un etalon Fabry-Pérot a basso costo, accoppiato in fibra e spaziato in aria  

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.

Fabbricazione di un Etalon Fabry-Pérot a basso costo, accoppiato in fibra e spaziato in aria

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