新方案!塑料光纤实现高分辨率分布式温度传感 | OE NEWS

科技   2025-02-12 11:03   上海  
近日,日本横滨国立大学的研究团队成功开发出一种创新策略,通过使用聚合物光纤(POF)有效提高了分布式温度传感的空间分辨率。这种基于 POF的布里渊光学相关域反射计(BOCDR)新方法,已成功验证能够检测短距离内的温度变化。这一成果有望助力开发适用于医疗保健和制造业等短传感长度领域的高分辨率传感应用。该研究成果已发表于Optical Fiber Technology上。
基于布里渊散射的分布式光纤传感器在测量光纤沿线应变和温度变化方面应用广泛。然而,噪声干扰以及传感光纤的物理特性,限制了这类传感器实现高空间分辨率的能力。

This figure illustrates the result of distributed temperature sensing using a perfluorinated graded-index plastic optical fiber (POF). The top diagram shows the structure of the sensing POF, including a 7.0-centimeter (cm) cooled section. The lower plot presents the measured Brillouin frequency shift distribution along the POF, clearly indicating the temperature change in the cooled region. Courtesy of Yokohama National University.

该图说明了使用全氟渐变折射率塑料光纤 (POF) 的分布式温度传感结果。上图显示了传感POF的结构,包括一个7.0 cm的冷却部分。下图显示了测得的沿POF的布里渊频移分布,清楚地表明了冷却区域的温度变化。横滨国立大学供图。

该团队研究人员通过深入研究调制幅度与传感光纤长度之间的关系,成功实现了高空间分辨率的分布式温度传感。Yosuke Mizuno教授表示:“我们的研究突破了空间分辨率的限制,解决了分布式光纤传感中的关键难题。通过优化调制幅度和光纤长度,为高分辨率温度传感开辟了新的可能性,这在结构健康监测和工业过程控制等领域可能具有重要应用价值。”

为了将调制幅度提升至常规极限之外,研究人员减少了相对于测量范围的光纤长度,从而有效抑制了瑞利散射产生的噪声。在这一过程中,他们采用了全氟渐变指数POF。这种光纤具有高温度敏感性和低应变敏感性,非常适合精确的温度测量。全氟渐变折射率POF的磁芯直径相对较小,在50~120 μm之间,且光传播损耗低,每米约0.25分贝,即便在电信波长下也是如此,它也是目前唯一能成功观测到布里渊散射的POF类型。

在实验中,研究人员运用该技术高精度地检测到了聚合物纤维上7.0 cm的冷却段,有力展示了这项技术在实际应用中成功监测温度变化的能力。此外,研究团队利用该技术在BOCDR中实现了约4.8 cm的理论空间分辨率,超越了以往的限制。

该团队的研究成果,或许将为分布式传感技术的发展开辟新的路径。在后续研究中,研究人员将计划探索如何在保持高空间分辨率的同时延长传感长度,以及如何运用该技术测量压力和湿度等更多物理参数。他们还致力于改进系统,使其能在基础设施监控和工业诊断等关键应用场景中得以实际运用。

Mizuno教授指出:“这一突破是光纤传感技术的重大进展。我们期待继续完善这一方法,并深入探索其在应对现实挑战中的潜力。”

来源:photonics

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