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.

アプリケーションのための1.最適なセンサータイプ<ol><li>サンプリング速度およびデータ点の数との間のトレードオフに基づいて、センサの長さを選択します。 注：One質問器サンプルセンサまでの長さはメートル50から2.5 Hzから解像度で、&lt;10ミリメートル、他のサンプルセンサながら、最大10メートル、長さ5ミリメートルの解像度と100 Hzで。 </li><li>サービス温度制限、時間応答、湿度感度、およびインストール構成（裸またはキャピラリー中）の要件に基づいて、単一モード光ファイバの種類を選択します。 注：ここでは、155μmの直径のポリイミドコーティングされたシングルモードの商用通信光ファイバを使用してきました。 注：我々は我々の研究室で使用している繊維と構成の例として、 表1と表 2を参照してください。 </li></ol> 2.テストセクションに光ファイバをインストールします。 <ol><li>長いガラス側板の1つを取り外して、オープンテストセクション。 </li><li>ドリル直径1mmの穴側壁ワイヤアンカー（ 図3）のための蓋下3 mm単位。 注：アンカーはセンサーをサポートする鋼線を保持します。アンカーピッチは、試験部のサイズおよび流れから予想される動的負荷に応じて変化させることができます。ここで使用される20ミリメートルピッチが1メートル/秒に近い流れで最小の振動と安定した証明しました。振動が壊れるのDTS信号と長いセンサー15,16と、より問題があります。 </li><li>文字列タンクの両端にある真鍮のアンカーにそれを結ぶことにより、テストセクション全体で127μmの直径の鋼線材。タンク全体に張ら47ワイヤセグメントの合計があるまで繰り返します。 </li><li> （0.5メートル&lt;可能性が高いが、スプライシングでの習熟度に依存する）スプライシングコネクタおよび終端繊維で消費される準備金との通信/電気技師のはさみを用いた光ファイバの50メートルをカット。小さなスプールにこの繊維を収集し、直径〜50ミリメートル。 </li><li>温度ウィットを測定するために選択された領域の一端に第1センサセグメントを築きますHセンサアレイ。 注：最初のセグメントが位置に固定された後、繊維は、隣接するセグメントに対してループ位置に固定され、より多くの繊維は、すべての繊維が使用されるまで、アレイを構築し、反復プロセスの次のセグメントに分配されます。 </li><li>必要に応じてスプールから他、調剤ファイバにタンクの一方の側から作業、隣接する配線の上方および下方繊維を織ります。 注： 図2に示すように 、繊維は、ワイヤに垂直です。他の内の1つの方向と流れに重力の力に抗して、それを支える織りと3。 </li><li>従来の明確なテープまたはポリイミドフィルムテープで蓋に第1のファイバセグメントの各端に取り付けます。配列の最初のセグメントは、所定の位置になりました。 注：ギターの弦のようにぴんと張らセンサーが、真っ直ぐで、可視たるみを取るには十分ではなくピンと張った状態を修正しないでください 。センサーがサポートで、小さな変形を引っ張られた場合は、 例えば 、熱EXPAN蓋のシオンは、この緊張を変更し、異常信号のオフセットと測定誤差が発生します。 </li><li> 図に示すように、ループ繊維180度は、次のセグメントのためにそれをバック戻ります。 4と第1のセグメントから10mmの距離で蓋にテープを。 注：それは「無駄な繊維」（配列の一部ではない）であるため、ループの直径を最小化し、それが許容応力のために約30 mm以上でなければなりません。ここで使用される繊維は目立っ信号損失で数ヶ月のための30ミリメートルの直径のループを容認しているが、限界が繊維の種類によって異なります。ここで使用される繊維は、製造元は≥10ミリメートルと≥17ミリメートルとして「長期」限度として「短期」曲げ半径の制限を指定します。 </li><li>再び位置にタンクとテープの反対側に配線間の繊維を織ります。すべての繊維が使用されるまで、ループテーピング、および製織プロセスを繰り返します。 </li></ol> 3.スプライスコネクタとTerminaファイバへン<ol><li>製造業者の使用説明書17以下の融着接続機を使用してファイバの一端にLC型シングルモードコネクタスプライス。 </li><li>電気技師/通信ハサミで〜0.25メートル終端繊維をカットし、製造業者の指示に従って、融着接続機で再び、光ファイバの他端にスプライス。 注：このアセンブリ（ファイバ、コネクタ、および終端）は、現在、「センサ」と呼ぶことにします。終端ファイバは、質問に戻ることを防止するために、レーザパルスからの残差信号を分散させます。 </li></ol> 4.センサの設定<ol><li>質問器ポートにセンサーのLCタイプコネクタ端を接続し、設定ソフトウェアを起動します。 </li><li>スキャンが完了すると自動的に表示され、「取得」（温度データとは異なる）を選択することによって、センサ振幅データを生成します。 注：遺伝子を持つことになり、良好なスプライスとセンサーのトレース図1に示すRAL特性。 5。悪いスプライス不明瞭ノイズフロアまたはコネクタが予想される支配的な反射によって示すことができます。貧しいスプライスが疑われる場合は、ステップ3とスプライシング手順を繰り返すように戻ります。 </li><li>センサーの最初と最後に赤いカーソルを画面に表示されている黄色のカーソルをドラッグすることで、センサの活性部分を選択します。 </li><li>センサーに名前を付け、「センサーファイルを保存」を選択します。 注：センサーは現在設定され、使用できるようになります。 </li><li>コンフィギュレーション・ソフトウェアを終了し、測定ソフトウェアに切り替えます。 </li></ol>テストセクション内の5地図センサーの位置<ol><li>質問器の測定ソフトウェアを起動し、ちょうど構成されたセンサをロードします。 </li><li> 5〜10分間予熱、〜40％に設定された可変変圧器へのはんだごてを接続します。 注：はんだごては、マッピングのための局所的な温度スパイクを生成します。はんだごて缶メートルそれほど明確スパイクを取得するだけの十分な電力を使用して、低トランス設定で始まる繊維コーティングをELTとセンサーを台無しに。 10-20℃のスパイクは、このプロセスには十分。 </li><li>画面上でライブデータをプロットする質問器のソフトウェアで「測定」を選択します。 </li><li>画面上のセンサ全体を表示するには、ズームアウト。 </li><li>センサーの近くに半田ごてを持って、簡単に最初のマッピング点でそれに触れて、ここでそれは蓋満たしベントからセグメント遠い（図4）。 </li><li>テストセクション内の対応する物理的な場所と一緒にソフトウェアによって示されるように温度ピークのレコード位置。 </li><li>すべての49のセグメントのエンドポイントをマップするために5.5から5.6を繰り返します。 </li></ol> 6.センサーベースライン：絶対温度へのリンク<ol><li> DTS近い位置1つ以上の温度基準、 例えば 、TC又は抵抗温度検出器（RTD）は、絶対的なTE標準連結DTSの読みとして機能しますmperature。 </li><li>ステップ2.1で削除された長いガラスサイドプレートを交換することにより、タンクをクローズアップ。 </li><li>毛布や従来の断熱パネルでそれをラップすることにより、タンクを絶縁し、それが等温雰囲気を​​確立するために一晩座ってすることができます。 </li><li> 、質問ソフトウェアを起動し、「ベースライン」（または「風袋」）を選択して、同時に注意/ TC（またはRTD）の読み取りを記録。ソフトウェアは、ベースラインで終了すると、選択し「測定」は、ベースラインの品質を検査するために生データをプロットします。 注：この重要なステップは、DTSのベースラインを確立し、信号が今、ゼロを示す必要があり、 すなわち 、ΔT（x）の度合いを0±割合を=。 - T（x）はABSがファイバに沿っ絶対温度であり、Tのベースは 、ベースラインであるT 塩基 、ΔT（x）は= T（x）がABS：タンク温度が基準温度から発散するように、今から、信号が変化します温度6,18。試験切断面の場合nは非等温である、T ベースは位置の関数、 すなわち 、T 塩基 （X）になり、T 塩基（x）は 、複数のTCまたはRTD（議論のセクションを参照）にマッピングされていない限り、精度が損なわれます。 移動しないでくださいステップ7が完了するまで、またはいずれかの方法でそれに負担が測定精度を低下させる可能性がオフセットを導入することができます。センサーをタッチします。 </li><li>ゼロから遠くドリフトしてはならないライブ信号を、調べます。ドリフトがアプリケーションのために過剰である場合には（私たちの限界はおよそ0.5〜5分後に°C）で、試験部のためのより多くの時間が熱平衡に達し、および/または絶縁性を向上することができます（下記の注を参照）、その後、ステップ6.4を繰り返します。 注：信号の品質がすぐにベースライン後に常に最善であると試験部内の温度分布に応じて時間をかけてドリフトします。ベースライニングの前に良好な絶縁性と長い待機期間は、ドリフトや測定誤差を低減します。かなりの、急速なドリフトは、テストセクションがないであることを示します最終的には不正確な測定につながる等温、。 </li><li>質問機ソフトウェアのロギング機能を選択して、ちょうどベースラインを生成するのに使用したのと同じ停滞、等温条件のためのDTSデータの10-100スキャンを記録。また、録音TC / RTDの読書。 注：これは試験部または支持体の流れまたは予期しない変形からの歪みによって生成することができるオフセットの事後チェックのための予備データです。 </li></ol> 7.テストの実行<ol><li>空気の流れを生成し、各チャンネルに1.25キロ/秒で流量と一致するように流量コントローラを調整するためにコンプレッサーをオンにします。 注：平均流入速度は1.1メートル/秒であり、レイノルズ数は10,000です。 </li><li>周囲温度であり、西ジェット、上記東ジェットを暖める600 Wに設定しヒータ電力20°C。 </li><li>システムが平衡に到達するために夜間に実行することを可能にします。 </li><li>次の日は、ノイズレベルを評価するためのライブDTS信号を調べます。センサー「ゲージリットルを選択許容可能なノイズレベルを達成するためのソフトウェアでength &quot;（30ミリメートルゲージがここで使用されます）。 注：ゲージ長は、空間分解能のセンサに対応します。一般に、信号ノイズが大きくなるゲージ長さが減少するにつれて、フローによって誘発される振動が大きくなるように（ユーザーガイドおよび基準13及び14を参照）。 </li><li> 4 Hzで2000 DTSスキャンをログに記録します。 </li><li>ヒータ電力と空気の流れをオフにします。タンクはチェックをオフセット平衡に達すると事後テストのために保存試験前のデータセットを補完するために10-100 DTSスキャンを記録するために一晩放置します。 </li></ol> 8.データ解析<ol><li>独自のバイナリ形式であるテストデータを、質問ソフトウェアのメインウィンドウでの後処理機能を選択し、インポートします。 </li><li>従来のスプレッドシートプログラムで読み取ることができプレーンテキストファイルとしてデータをエクスポートします。 注： - T ベースこのデータは、ΔT（X）= T（x）の絶対繊維に沿って測定されたΔTを表します。それはへの参照が含まれていません試験セクションの位置（ 図6参照）。その他の詳細は、このステップと次のための質問機のユーザーズ・ガイドとリファレンス6と16でご利用いただけます。 </li><li>従来のスプレッドシートにインポートするテキストデータとは、すべてのデータに、ステップ6.4でTCまたはRTDによって測定されたT ベースラインを 、追加することにより、絶対温度に変換します。 注：我々はテストセクションは、ベースライン時に等温であったことを規定しているので、T（x）はABS =ΔT（x）は+ T ベースライン ：絶対温度への変換は、単に単一値のオフセット補正です。 </li><li> T（x）のデータを分解し、 図7および図8に示すようなテストセクション内の物理的な位置にマップするために、表計算ソフトや同様のデータ操作プログラムを使用してください。 注：プログラムは、ステップ5で半田ごてで収集したデータを利用します。 </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

我々は、流体力学の実験でDTSを使用することを実証しました。これらのセンサの主な利点は、単一のセンサから得られる測定点の大きな数です。ここで使用DTSははるかにこのような熱電対のような従来のポイントセンサの実用的な限界を超えて、0.5×0.8メートル面全体に4067点のデータを生成しました。このようなデータ密度は、レーザ誘起蛍光（LIF）などの光学技術により超過することができますが、DTSは、光アクセスを欠いている不透明な流体およびアプリケーションで機能します。 DTSの高いデータ密度は、計算流体力学コードの検証に関係する実験のために適しています。 ベースラインは、測定精度を決定する際のプロトコルと中央における重要なステップです。等温試験部は、ベースライン時に全体DTSは1温度であることを確認することが不可欠です。これが不可能な場合、T 塩基は Tと塩基 （X）、MAPPあるべきなりますDTSに近接して配置された複数のTCによってエド。ベースラインの品質がこの方法で向上させることができるが、それは絶対的な温度への変換のための基準にDTSの基準をマッピングするプロセスを複雑にします。 常に予測不可能な信号シフトを導入することができ、ベースライン後の歪みの発生源に目を光らせ、上にあります。このようなソースは、センサ、支持体の動き、高流量から動的ロード、または流動励起振動を伸ばし、例えば、試験部の熱膨張です。等温条件下で前と事後テストの測定は、このような問題を特定するのに役立ちます。 ひずみ感度はこのレイリー散乱に基づくDTSの主な欠点です。熱電対のような従来のセンサとは異なり、それが取り扱い、湿度、振動に敏感です。これらの問題は、ここで実証裸のセンサ構成のために最も関連しているが、はるかに重要な毛細血管内に収容されたセンサ用。 従来のセンサとは異なり、DTSは、NIST（国立標準技術研究所）として認識された校正標準にトレース事務処理で調達することはできません。 その場校正がいくつかでは困難であってもよい、好ましくは等温試験部と、必要とされますアプリケーション。振動は、大規模なテストセクションを横切って張らベアファイバのための特別な関心事です。私たちは、1.7メートルのセグメント長でタンクの長軸にまたがる垂直配向アレイとの混合成功を収めています。一つの研究18の間によく行っ繊維と16セグメントの28メートルの構成を例示したが、しかし、29セグメントと53メートルに拡張しようとしたが失敗した16でした。 一般に、任意のセンサの長さおよび構成のための信号ノイズは、質問ソフトウェアはレイリー信号のずれを算出し、これは効果的な空間分解能を減少させる上でのゲージ長さを増加させることによって減少させることができます。各アプリケーションは、信号雑音と空間分解能の間、自身のバランスを取る必要があります。再び、このような困難性は、主に、拡張熱応答時間を犠牲にし、毛細管内のセンサを収容することによって回避することができます。 この比較的新しい温度測定技術は、振動に対する感受性を低下させるための開発が必要となります。この作業の多くは、必ずしも質問器のハードウェアとソフトウェアを含むであろう。センサー自体も、ファイバ被覆の影響を受ける処理と湿度変化に対する感度を低減するために改善することができます。作業は現在市販されているポリイミド、アクリルコーティングされた繊維に優れたコーティング剤の開発に集中できます。

計算流体力学（CFD）コードは、動脈血流まで飛行機や自動車の周囲の空気流から、流体システムの様々なシミュレートするために使用されます。このようなシミュレーションの範囲と忠実度は計算能力の可用性と成長してきました。しかし、高度なシミュレーションの高度化にもかかわらず、その精度と信頼性は、多くの場合、定量化するのは難しいです。実際には、CFDコードの精度は、コード検証と呼ばれるプロセスにおける実験データとシミュレーションを比較することによって評価されます。 典型的な実験データセットは、厳密なコードの検証を容易にするための理想的なの高空間分解能と時間分解能の両方を速度と温度の測定値の主に構成されています。速度場は、粒子画像速度測定（PIV）、十分に確立された光学技術1,2を用いて高分解能でマッピングすることができます。対照的に、PIVに匹敵する分解能での温度場をマッピングすることは困難です。 Opticaこのようなレーザー誘起蛍光としてL技術が3,4使用可能であるが、カメラと、比較的高出力のレーザーを必要とし、不透明な流体には不適当です。 代替案は、レイリー散乱に基づいており、掃引波長干渉（SWI）5-7分散型温度検出の比較的新しい技術で利用可能です。温度測定の数千人は、単一の光ファイバに沿って取得することができます。分散型温度センサー（DTS）は、画像ベースの技術8には適していない環境での大規模な流れ場と機能にまたがることができます。そこ9,10ラマン散乱とブリルアンに基づいてのDTSもありますが、レイリー散乱とSWIに基づくセンサは、典型的な流体力学実験のためのより適切な空間および時間分解能を提供します。 しかし、このようなレイリーscatteに基づいて、熱電対（TCS）、センサーまでの伝統的なセンサーのそれを超えたDTSのオファーデータ密度リング応答は、温度11と同様に歪みます。繊維コーティングは吸湿性である場合、センサは、12,13を変更湿度に対応しています。水蒸気の吸収は、脱着が14を縮小しながら、コーティングの膨潤基礎となるガラス繊維株および信号を変更します。その結果、精度が取り扱い、振動、及び相対湿度の変化に影響されます。これは非常に伝統的なセンサーとは異なりますので、型破りなインストールおよび測定方法は、正確なデータを得ることが観察されなければなりません。本論文では、精度を確保するためのプロトコルおよびガイドラインを提示し、熱混合実験ではDTSの使用方法を示します。 ここで使用するDTSは光ファイバ導波路内のレイリー散乱の検出および分析に基づいています。ファイバコアに沿って不純物や構造変化のランダムな分布は、繊維と一般に安定に固有の後方散乱パターンを生じさせます。スペクトル振幅このパターンの繊維署名として機能するように読み取ることができます。このような温度変化や歪みなどの物理的変化は繰り返しの方法で署名を変更し、署名の変動を検出するセンサとして光ファイバを使用するための基礎です。 図1は、光電子検出装置の原理構成要素を示す、光分散センサ質問器と呼ばれ、単に「質問器」としてここに示されます。掃引波長干渉として知られている技術では、低出力波長可変レーザは、得られた後方散乱5-7の登録のために繊維に狭帯域信号を起動します。レーザーは、数ナノメートルの間隔や基準及び測定の足の間の信号の分割にわたって掃引されます。センサからの散乱光を検出器で干渉信号を生成する基準信号と組み合わされます。検出器の出力は、デジタル化され、レイリー散乱信号を取得するために分析されます。 Rayleセンサ温度（歪み、または湿度）の変化の波長でセンサーシフトのIGH署名。この波長シフトの大きさは、TCのゼーベック係数と類似の校正係数を有する繊維の種類に関連する物理定数である感度、センサに関係します。 図2は、本研究で使用した試験部としてのガラスタンクを示しています。タンクの後ろのカメラは、スケールの感覚を与えます。空気は2六角形のダクトを通って入り、ベントから出る前に混合します。他には、純粋な空気をままジェットを強調表示するには、一つのフローストリームは、オイルミストを播種しました。タンクの蓋は黒ポリマースクリーンで覆われた窓を有します。写真では見えていないが、DTSが黒画面の下に吊り下げられています。 図2に示す50としてメートル長いDTSは、タンクの蓋の下に装着しました。 3。これは、155μmの直径のポリイミドコーティングした光ファイバから作られましたタンクエンドパネルとの間に張ら127μmの直径の鋼線に停止しました。センサは、交互のパターンで配線を介して織り、タンクを横切って前後に49回ループしました。これは、0.5×0.8 m個面にわたり、10mMの間隔でオーバーサンプリングされた場合4ヘルツから30mm、4,067データポイントの空間解像度で1,355独立したデータ点を生成します。このような高密度の温度データは、速度データを補完し、CFDの検証のためのデータセットの値を増加させます。プロトコルは、流体力学の実験でDTSを使用して、特定の問題に焦点を当てながら、センサ選択、製造、および設定のプロセスの概要を説明します。

<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

計算流体力学（CFD）コードの信頼性は、実験データとシミュレーションを比較することによってチェックされます。典型的なデータセットは、速度と温度の測定値の主に、両方の理想的に厳密なコードの検証を容易にするために、高い空間分解能と時間分解能を持つ構成されています。高分解能の速度データが容易にそのような粒子画像速度測定などの光学測定技術を介して取得されているが、同様の分解能で温度データを得ることが困難であることが判明しました。このような熱電対のような従来のセンサがこの役割を埋めることはできませんが、レイリー散乱と掃引波干渉法に基づく分散センシングの最近の開発は、CFDコードの検証作業に適した解像度を提供しています。温度測定の数千人がヘルツの何百もの単一の細い光ファイバに沿って生成することができます。センサーは、大きな温度範囲にわたって、光技術は不適当である不透明な流体内で機能します。しかし、このタイプのセンサー歪みや湿度だけでなく、温度に敏感であるので、精度は、取扱い振動、および相対湿度の変化に影響されます。このような挙動は非常に伝統的なセンサーとは異なりますので、型破りなインストールと操作手順は、正確な測定を確保するために必要です。本論文では、25と45℃の2つの空気ジェットを伴う熱混合実験でレイリー散乱型分散型温度センサの実装を示しています。私たちは、センサ用光ファイバの選択を誘導し、ジェット混合実験用のインストール・セットアップを記述するための基準を提示します。私たちは、絶対温度標準に読みをリンクするセンサーベースラインを、示しており、このような流動励起振動に起因する誤差として実用的な問題を議論します。この材料は、流体力学の実験と同様の用途のための高データ密度及び帯域幅を有する温度測定に興味のある人を助けることができます。私たちは、consideraのためのこれらのセンサに特有の落とし穴を強調表示しました実験の設計および動作でる。

生DTSのデータを図にプロットされています。 6センサーに沿った距離に対するベースライン温度（約20℃）からの測定ΔTを示します。データは、絶対温度に換算することも、テストセクション内の物理的位置にマッピングされているどちらという意味で「生」です。データは、50メートルの完全なセンサ長にわたって1666の独立した測定値を提供する30ミリメートルゲージの長さに基づいています。 30mmゲージ5000へのデータポイントの数を増加させるオーバーサンプリングモードに10mm間隔で適用しました。このようなデータ密度は、技術委員会のような従来のセンサーを備えた実用的ではありません。 図中のx = 0で。 6センサは、タンクの東端にあり、xが増加すると、それは西の端に向かって前後にループします。ピークはセンサーが熱い東ジェット上を通過する場合に発生し、それが冷たい西のjeの上にあるフェードトン。プロットは、単一のDTSからの生の信号はかなり広い領域にわたって温度の基本的な描写を提供することができますどのようにさえ示しています。流動励起振動に起因する繊維、の西の端に向かって信号ノイズに注意してください。振動が肉眼では見えませんでしたが、信号を劣化させるのに十分であったと我々は長いセンサー（&gt; 10メートル）で最も頻繁にこの問題を参照してください。 生データは、 図中の試験セクションにマッピングされます。 DTSアレイによって形成された0.5×0.8メートルの測定面全体の温度を示している7、。ビューのポイントは、蓋の上に見下ろしタンクの上からです。六角形のチャネルの概要は、オリエンテーション助剤として含まれています。蓋の下にテープで留めループが除外されているので、輪郭が4067のデータポイントに基づいています。隣接するセンサーセグメント間の線形補間が、2D輪郭を作成するために使用されました。 目Eの輪郭は東ジェットオーバー暖かい領域と蓋の下の熱パターンの明確な感覚を提供していますが、それを中心としません。また、明らかにプロット上のy = 0であるタンクのミッドプレーン、周りのラフな対称性があります。温度データのこの種の熱混合及び熱伝達を伴う流体力学研究における速度データへの便利な賛辞です。厳格なコードの検証は、温度と速度場の両方のために、このような高解像度のデータを必要とします。 同じセンサデータは、温度の変動の大きさを明らかにするように処理することができます。 2000スキャンデータセットのRMSは、（二乗平均平方根）は、 図8にプロットされている。マゼンタは、温度変動が比較的高い地域をマーク。これはまた、2つの立ち上がりジェットは蓋の上に衝突するように相互作用の高乱流の領域です。 RMSデータは熱混合の文脈において乱流モデルのために有用です。 図1.質問の概略図。温度測定用の光分散センサ質問器の原理コンポーネント。システムは、センサのレイリー後方散乱シグネチャを特徴付ける掃引波長干渉計に基づいている。 <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54076/54076fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図2" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig2.jpg" /> 図2.テストセクションエアジェットが実験を混合：空気は上部通気孔を通って出る前に2つの六角形のダクトとミックスを介してベースを介してタンクに入ります。蓋ウィンドウをカバーする黒い画面が（見えない）DTS上記3ミリメートルである。 <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54076/54076fig2large.jpg" target="_blank">PL</a>この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックして容易になります。 <img alt="図3" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig3.jpg" /> 図の構成を取り付け3. DTS。タンクの長軸を横切って張ら鋼支持線間織りDTSを示すタンクの上面図。 <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54076/54076fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図4" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig4.jpg" /> 図4. DTSクローズアップ。クローズアップセンサーループ、添付ファイル、およびはんだごてでマッピングされた最初のテストポイントの位置を強調するために蓋に上方タンク内からの眺めとDTSの写真。 <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54076/54076fig4large.jpg" target="_blank">拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。このFiのの</a>グレ。 <img alt="図5" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig5.jpg" /> 図5.レイリー散乱信号。センサ構成ユーティリティ（明瞭にするためにここに示したショートセンサ）で記録された典型的なレイリー散乱信号。適切な終端は、ノイズフロアに鋭いシグナルの低下を生成します。コネクタにわずかな信号のステップアップと控えめな反射が適切にスプライスされたコネクタの特性である。 <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54076/54076fig5large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図6" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig6.jpg" /> 図6.生DTSデータ。25℃で45℃のホット東ジェットと生DTSデータの単一のスキャンと冷たい西ジェットセンサーが直接ここでピークが発生します<html>ホットジェット上記。センサーはタンク壁との間で前後にループしていることを思い出してください。 <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54076/54076fig6large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図7" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig7.jpg" /> 図7.蓋以下の測定気温は。生データが絶対温度に変換し、タンク内の物理的な位置にマッピングされたDTS。 4 Hzでログインして2000のスキャンに基づくデータ。 4,067の合計データ間隔10ミリのデータポイントをプロットしました。線形補間は、センサーセグメント間の領域を充填するために使用されます。六角形は、入口の位置を示している。 <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54076/54076fig7large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> 54076fig8.jpg &quot;/&gt; 図8.ルートデータの測定温度の二乗平均（rms）。RMSは、図1にプロットしました。 7。マゼンタは、高温度変動やホットとコールドジェットの熱混合を示しています。六角形は、入口の位置を示している。 <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54076/54076fig8large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="表1" src="/files/ftp_upload/54076/54076table1.jpg" /> 1メートル/秒および20℃でのクロスフローで選択される繊維の種類や住宅構成の大きさの熱応答時間の表1注文。 <img alt="表2" src="/files/ftp_upload/54076/54076table2.jpg" /> 表2.選択されたコーティング構成のおおよその動作温度範囲と湿度感度。

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Fiber Optic Distributed Sensors for High-resolution Temperature Field Mapping

我々は、空気ジェットを混合する温度場をマッピングするためのセンサを分散光ファイバの使用を示します。レイリー散乱に基づくセンサは、熱電対のような従来のセンサと達成できない例外的な空間分解能を提供するために、単一のファイバに沿ってデータポイントの数千を生成します。

高分解能温度フィールドマッピングのための光ファイバの分散センサ

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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Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Engineering

11.9K ビュー.  Argonne National Laboratory. 我々は、空気ジェットを混合する温度場をマッピングするためのセンサを分散光ファイバの使用を示します。レイリー散乱に基づくセンサは、熱電対のような従来のセンサと達成できない例外的な空間分解能を提供するために、単一のファイバに沿ってデータポイントの数千を生成します。 

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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.

差動熱感覚に対する注目の注意提案時における同時fMRI/EEGデータ収集の方法

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 ...

行動学

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.

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

環境学

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.

高分解能光ファイバMicroendoscopy用その場で細胞イメージング

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

生物工学

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.

ギャラリーモード高分子マイクロ光電界センサを囁くの開発

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

工学

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.

光温度計の作製と試験

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

化学

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.

磁気スケールと2つのファイバーブラッググレーティングを組み合わせたランダム変位測定

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.

高解像度・高速応答の光ファイバーセンシングのシリコン チップを渡したプラットフォーム

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.

FBGセンサ多重法を用いた電気コイルにおけるその場での分散熱ホットスポットモニタリング用設計、計測、使用プロトコル

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 ...

微量ガス分光法への応用のためのファブリペロエタロンの作製

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.

著者スポットライト:低コスト、ファイバー結合、空気間隔のファブリペロエタロンの製造  

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.

低コスト、ファイバー結合、空隙ファブリペローエタロンの製造

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

高分解能温度フィールドマッピングのための光ファイバの分散センサ

要約

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差動熱感覚に対する注目の注意提案時における同時fMRI/EEGデータ収集の方法

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

高分解能光ファイバMicroendoscopy用その場で細胞イメージング

ギャラリーモード高分子マイクロ光電界センサを囁くの開発

光温度計の作製と試験

磁気スケールと2つのファイバーブラッググレーティングを組み合わせたランダム変位測定

高解像度・高速応答の光ファイバーセンシングのシリコンチップを渡したプラットフォーム

FBGセンサ多重法を用いた電気コイルにおけるその場での分散熱ホットスポットモニタリング用設計、計測、使用プロトコル

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

低コスト、ファイバー結合、空隙ファブリペローエタロンの製造

高分解能温度フィールドマッピングのための光ファイバの分散センサ

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高解像度・高速応答の光ファイバーセンシングのシリコン チップを渡したプラットフォーム

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

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