185 research outputs found

    Data-Driven Distributed Optical Vibration Sensors: A Review

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    Distributed optical vibration sensors (DOVS) have attracted much attention recently since it can be used to monitor mechanical vibrations or acoustic waves with long reach and high sensitivity. Phase-sensitive optical time domain reflectometry (Φ-OTDR) is one of the most commonly used DOVS schemes. For Φ-OTDR, the whole length of fiber under test (FUT) works as the sensing instrument and continuously generates sensing data during measurement. Researchers have made great efforts to try to extract external intrusions from the redundant data. High signal-to-noise ratio (SNR) is necessary in order to accurately locate and identify external intrusions in Φ-OTDR systems. Improvement in SNR is normally limited by the properties of light source, photodetector and FUT. But this limitation can also be overcome by post-processing of the received optical signals. In this context, detailed methodologies of SNR enhancement post-processing algorithms in Φ-OTDR systems have been described in this paper. Furthermore, after successfully locating the external vibrations, it is also important to identify the types of source of the vibrations. Pattern classification is a powerful tool in recognizing the intrusion types from the vibration signals in practical applications. Recent reports of Φ-OTDR systems employed with pattern classification algorithms are subsequently reviewed and discussed. This thorough review will provide a design pathway for improving the performance of Φ-OTDR while maintaining the cost of the system as no additional hardware is required

    Distributed Fiber Ultrasonic Sensor and Pattern Recognition Analytics

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    Ultrasound interrogation and structural health monitoring technologies have found a wide array of applications in the health care, aerospace, automobile, and energy sectors. To achieve high spatial resolution, large array electrical transducers have been used in these applications to harness sufficient data for both monitoring and diagnoses. Electronic-based sensors have been the standard technology for ultrasonic detection, which are often expensive and cumbersome for use in large scale deployments. Fiber optical sensors have advantageous characteristics of smaller cross-sectional area, humidity-resistance, immunity to electromagnetic interference, as well as compatibility with telemetry and telecommunications applications, which make them attractive alternatives for use as ultrasonic sensors. A unique trait of fiber sensors is its ability to perform distributed acoustic measurements to achieve high spatial resolution detection using a single fiber. Using ultrafast laser direct-writing techniques, nano-reflectors can be induced inside fiber cores to drastically improve the signal-to-noise ratio of distributed fiber sensors. This dissertation explores the applications of laser-fabricated nano-reflectors in optical fiber cores for both multi-point intrinsic Fabry–Perot (FP) interferometer sensors and a distributed phase-sensitive optical time-domain reflectometry (φ-OTDR) to be used in ultrasound detection. Multi-point intrinsic FP interferometer was based on swept-frequency interferometry with optoelectronic phase-locked loop that interrogated cascaded FP cavities to obtain ultrasound patterns. The ultrasound was demodulated through reassigned short time Fourier transform incorporating with maximum-energy ridges tracking. With tens of centimeters cavity length, this approach achieved 20kHz ultrasound detection that was finesse-insensitive, noise-free, high-sensitivity and multiplex-scalability. The use of φ-OTDR with enhanced Rayleigh backscattering compensated the deficiencies of low inherent signal-to-noise ratio (SNR). The dynamic strain between two adjacent nano-reflectors was extracted by using 3×3 coupler demodulation within Michelson interferometer. With an improvement of over 35 dB SNR, this was adequate for the recognition of the subtle differences in signals, such as footstep of human locomotion and abnormal acoustic echoes from pipeline corrosion. With the help of artificial intelligence in pattern recognition, high accuracy of events’ identification can be achieved in perimeter security and structural health monitoring, with further potential that can be harnessed using unsurprised learning

    Aplicações De Métodos De Sensoriamento De Vibração Baseados Em Técnicas

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    Orientadores: Fabiano Fruett, Claudio FloridiaTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Sensores à fibra óptica distribuídos têm sido empregados para monitorar vários parâmetros, tais como temperatura, vibração, tensão mecânica, campo magnético e corrente elétrica. Quando comparados a outras técnicas convencionais, tais sensores são vantajosos devido a suas pequenas dimensões, imunidade a interferências eletromagnéticas, alta adaptabilidade, robustez a ambientes nocivos, dentre outros. Sensores acústicos distribuídos em particular são interessantes devido a sua capacidade em serem usados em aplicações tais como monitoração de saúde de estruturas e vigilância de perímetros. Através da análise em frequência da estrutura, por exemplo uma aeronave, uma ponte, um edifício ou mesmo máquinas em uma fábrica, é possível avaliar sua condição e detectar danos e falhas em um estágio primário. Tais soluções podem cobrir ambas as aplicações de detecção de intrusão e monitoração estrutural com mínimas adaptações no sistema sensor. Desta forma, vibrações e distúrbios pequenas estruturas com resolução de dezenas de centímetros e em grandes estruturas ou perímetros com alguns metros de resolução espacial e centenas de quilômetros de alcance podem ser detectadas. Outra característica útil desta solução baseada em fibra óptica é a possibilidade de ser combinada com técnicas de processamento digital de sinais, permitindo a detecção e localização de perturbações rápidas, reconhecimento de padrões de intrusão em tempo real e multiplexação de dados de superfícies estruturais para aplicações SHM. O principal objetivo desta tese é fazer uso desses recursos para empregar técnicas de DAS como soluções de tecnologias- chave para várias aplicações. Neste trabalho, as técnicas de phase-OTDR foram estudadas e as principais contribuições da tese focaram em trazer soluções inovadoras e validações para aplicações de vigilância e vigilância. Este doutorado teve um período sanduíche nas instalações da RISE Acreo AB, Estocolmo, Suécia, onde experimentos foram realizados e foi parte da 42ª Chamada CISB/Saab/CNPqAbstract: Distributed optical fiber sensors have been increasingly employed for monitoring several parameters, such as temperature, vibration, strain, magnetic field and current. When compared to other conventional techniques, these sensors are advantageous due to their small dimensions, lightweight, immunity to electromagnetic interference, high adaptability, robustness to hazardous environments, less complex data multiplexing, the feasibility to be embedded into structures with minimum invasion, the capability to extract data with high resolution from long perimeters using a single optical fiber and detect multiple events along the fiber. In particular, distributed acoustic sensors (DAS) based on optical time domain reflectometry (OTDR), are of high interest, due to their capability to be used in applications such as structural health monitoring (SHM) and perimeter surveillance. Through the frequency analysis of a structure, for instance an aircraft, a bridge, a building or even machines in a workshop, it is possible to evaluate its condition and detect damages and failures at an early stage. Also, OTDR based solutions for vibration monitoring can be easily adapted with minimum setup modifications to detect intrusion in a perimeter, a useful tool for surveillance of military facilities, laboratories, power plants and homeland security. The same OTDR technique can be used as a non-destructive diagnostic tool to evaluate vibrations and disturbances on both small structures with some dozens of centimeters¿ resolution and in big structures or perimeters with some meters of spatial resolution and hundreds of kilometers of reach. Another useful feature of this optical fiber based solution is the possibility to be combined with high-performance digital signal processing techniques, enabling fast disturbance detection and location, real-time intrusion pattern recognition and fast data multiplexing of structure surfaces for SHM applications. The main goal of this thesis is to make use of these features to employ DAS techniques as key enabling technologies solutions for several applications. In this work, OTDR based techniques were studied and the thesis main contributions were focused on bringing innovative solutions and validations for SHM and surveillance applications. This PhD had a sandwich period at Acreo AB, Stockholm, Sweden, where experimental tests were performed and it was part of the 42ª CISB/Saab/CNPq CalDoutoradoEletrônica, Microeletrônica e OptoeletrônicaDoutora em Engenharia Elétrica202816/2015-0CAPESCNP

    Spectral shadowing suppression technique in phase-OTDR sensing based on weak fiber Bragg grating array

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    A postprocessing procedure is presented to suppress spectral shadowing in phase-OTDR sensing systems based on a weak fiber Bragg grating array. A complete theoretical analysis of the interfering signals has been carried out to identify a compensation method. The proposed approach has been applied to simulated and experimental phase-OTDR in the context of vibration measurements. Fast Fourier transform has been employed to analyze the obtained results, which has verified the validity of the proposed method to suppress spectral shadowing.This work was performed with support from BEWARE Fellowships/Academia project 1510633 financed by the Walloon region in Belgium. Also with the support of the Spanish Government project TEC 2016-76021-C2-1-R as well of the AEI/FEDER Funds

    Chirped-pulse phase-sensitive optical time domain reflectometry

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    El mundo actual funciona gracias a las grandes infraestructuras que dotan de energía y transporte seguros a sus ciudadanos. Dichas infraestructuras (presas, diques, gaseoductos, oleoductos, puentes, líneas de ferrocarril, carreteras…) típicamente presentan grandes dimensiones y es especialmente difícil monitorizar su buen funcionamiento y su salud estructural además de protegerlas de posibles amenazas. Los sensores distribuidos de fibra óptica son una solución fiable y rentable para esta problemática, ya que permiten medir vibraciones, deformaciones y temperatura a lo largo de todos los puntos de una fibra óptica estándar de comunicaciones. Los sensores de fibra óptica basados en scattering Rayleigh son particularmente útiles cuando las medidas deben ser realizadas en tiempo real, como por ejemplo en la detección y caracterización de vibraciones. En esta tesis, se ha realizado un estudio acerca de distintas soluciones y alternativas a las limitaciones de la tecnología OTDR. Se ha propuesto una nueva técnica, derivada de ésta, que ofrece unas prestaciones que superan notablemente a las de los sistemas OTDR tradicionales. Para ello, en primer lugar, se ha procedido a realizar un estudio en profundidad de los fundamentos y el estado del arte de las técnicas de monitorización basadas en Reflectometría Óptica en el Dominio del Tiempo (OTDR, por sus siglas en inglés) y, en particular, sobre la implementación sensible a la fase, también conocida como OTDR. Se ha estudiado la limitación en rango y resolución de los sistemas OTDR principalmente asociada a la aparición de efectos no lineales como la inestabilidad de modulación. Actualmente, un OTDR tradicional presenta una resolución máxima del orden de los 10 metros para un rango de medida del orden de pocas decenas de km (si no se aplica ningún tipo de técnica de amplificación distribuida). Además de estudiar esta limitación y a qué es debida, se han propuesto dos técnicas para mitigar los efectos perjudiciales de la MI. En primer lugar, se ha realizado un estudio del efecto de la forma de los pulsos ópticos empleados en el sensor en la traza retrodispersada en un OTDR. Se ha podido comprobar cómo los pulsos triangulares o gaussianos presentan mayor robustez que los pulsos rectangulares, tradicionalmente empleados, frente a la MI. En segundo lugar, se ha propuesto una técnica basada en el concepto de Amplificación de Pulsos Chirpeados (CPA, por sus siglas en inglés), que ha permitido desarrollar un OTDR con resoluciones milimétricas. Hasta el momento ningún OTDR había podido llegar a tales resoluciones, lo que abre un nuevo abanico de aplicaciones a la tecnología OTDR donde se requiera alta resolución espacial en la medida. También se ha estudiado la otra gran limitación de este tipo de sensores: su comportamiento no lineal ante una perturbación. Actualmente, salvo que se implementen técnicas de recuperación de fase o barridos en longitud de onda que implican más complejidad, coste y tiempo de medida, no es posible realizar medidas cuantificables de temperatura o deformaciones. Del mismo modo, tampoco se pueden realizar medidas acústicas reales. En este trabajo, en primer lugar, se propone emplear la técnica de Reconstrucción de Fase empleando Diferenciación Óptica Ultrarápida (PROUD, por sus siglas en inglés) para recuperar el campo complejo de una señal OTDR. Con esta medida, el sensor pasaría a comportarse de forma lineal sin la complejidad intrínseca de los métodos tradicionales de detección de fase. En segundo lugar, y de aquí viene el nombre de esta tesis doctoral, se propone el uso de pulsos chirpeados en los sensores OTDR. La nueva técnica llamada Chirped-Pulse OTDR, ha permitido la medida de forma lineal de cambios de temperatura y deformaciones, en un único disparo y sin la necesidad de realizar barridos en frecuencia o implementar detección coherente. A lo largo de este trabajo, se han alcanzado resoluciones de 0.5mK/4n y se ha demostrado la posibilidad de hacer medidas acústicas reales. También se han estudiado las limitaciones de esta técnica y propuesto varias soluciones. Se ha demostrado que el ruido de fase del láser empleado en el sistema, puede ser mitigado con esta nueva técnica. Además, se ha propuesto el uso de amplificación distribuida basada en scattering Raman estimulado para alcanzar rangos de medida mayores, hasta 75 km con una resolución espacial de 10 m

    Embedded fiber optic sensors for temperature monitoring of continuous casting mold

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    The continuous casting process has been widely used for most of the steel production in the world instead of conventional ingot casting/rolling. Traditionally, thermocouples are being widely used to monitor the mold temperature in the continuous casting which has the following drawbacks: large size, low spatial resolution, and single detection point. On the contrary, fiber optic sensors can be a promising solution to the continuous casting temperature monitoring owing to its advantage of compact size, high resolution, high-temperature survivability, etc. In this thesis, we successfully developed extrinsic Fabry-Perot interferometer (EFPI) sensor for point temperature sensing, and optical frequency domain reflectometry (OFDR) system for distributed temperature sensing. We embedded the optical fiber and fiber optic sensors in the copper slide using electrodeposition for continuous high-temperature sensing. The sensing principle and the fabrication of EFPI sensors was discussed. To verify the best method for sensor coating, three different coating methods were applied to optical fiber sensors before embedding. We observed that the sensitivity of embedded EFPI sensor with wax coating has been surprisingly enhanced more than 30 times. An experiment designed monitoring the casting process of aluminum was conducted, showing fast time response of the embedded EFPI sensor. Also the basic working principle, the nonlinear sweep compensation method and the data processing procedure of OFDR system. A calibration experiment of OFDR system was also demonstrated in this thesis. The OFDR system can achieve 1 cm spatial resolution --Abstract, page iii

    Design of optical fiber sensors and interrogation schemes

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    [ES] Las fibras ópticas son dispositivos muy utilizados en el campo de las telecomunicaciones desde su descubrimiento. En las últimas décadas, las fibras ópticas comenzaron a utilizarse como sensores fotónicos. Los primeros trabajos se centraron en la medición de unas dimensiones físicas en un punto específico. Posteriormente, surgió la posibilidad de medir las propiedades de la fibra óptica en diferentes puntos a lo largo de la fibra. Este tipo de sensores se definen como sensores distribuidos. Los componentes optoelectrónicos fueron desarrollados e investigados para telecomunicaciones. Los avances en las telecomunicaciones hicieron posible el desarrollo de sistemas de interrogación para sensores de fibra óptica, creciendo en paralelo con los avances de las telecomunicaciones. Se desarrollaron sistemas de interrogación de fibra óptica que permiten el uso de una única fibra óptica monomodo estándar como sensor que puede monitorear decenas de miles de puntos de detección al mismo tiempo. Los métodos que extraen la información de detección de la señal reflejada en la fibra óptica son los más empleados debido a la facilidad de acceso al sensor y la flexibilidad de estos sistemas. Los más estudiados son la reflectometría en dominios de tiempo y frecuencia. La reflectometría óptica en el dominio del tiempo (OTDR) fue la primera técnica utilizada para detectar la posición de los fallos en las redes de comunica-ción de fibra óptica. El OTDR sensible a la fase hizo posible detectar la elongación y la temperatura en una posición específica. Paralelamente, los gratings de Bragg (FBG) se convirtieron en los dispositivos más utilizados para implementar sensores en fibra óptica discretos. Se desarrollaron técnicas de multiplexación para realizar la detección en múltiples puntos utilizando FGBs. La reflectometría realizada interrogando arrays de FBG débiles demuestra que mejora el rendimiento del sistema en comparación al uso de una fibra monomodo. Los sistemas de interrogatorio actuales tienen algunos inconvenientes. Algunos de ellos son velocidad de interrogatorio limitada, grandes dimensiones y alto costo. En esta tesis doctoral se desarrollaron nuevos sistemas de interrogación y sensores de fibra óptica para superar algunos de estos inconvenientes. Los sensores de fibra óptica de plástico demuestran ser una plataforma innovadora para desarrollar nuevos sensores y sistemas de interrogación de bajo costo y fáciles de implementar para fibras de plástico comerciales. Se investigó la reflectometría en el dominio del tiempo y las técnicas fotónicas de microondas para la interrogación de una matriz de rejillas débiles que permitieron simplificar el sistema de interrogación para la detección de temperatura y vibración.[CA] Les fibres òptiques són dispositius molt utilitzats en el camp de les telecomunica-cions des del seu descobriment. En les últimes dècades, les fibres òptiques van començar a utilitzar-se com a sensors fotònics. Els primers treballs es van centrar en el mesurament d'unes dimensions físiques en un punt específic. Posteriorment, va sorgir la possibilitat de mesurar les propietats de la fibra òptica en diferents punts al llarg de la fibra. Aquest tipus de sensors es defineixen com a sensors distribüits. Els components optoelectrònics van ser desenvolupats i investigats per a telecomunicacions. Els avanços en les telecomunicacions van fer possi-ble el desenvolupament de sistemes d'interrogació per a sensors de fibra òptica, creixent en paral·lel amb els avanços de les telecomunicacions. Es van desenvolupar sistemes d'interrogació de fibra òptica que permeten l'ús d'una única fibra òptica monomodo estàndard com a sensor que pot monitorar desenes de milers de punts de detecció al mateix temps. Els mètodes que extreuen la informació de detecció del senyal reflectit en la fibra òptica són els més utilitzats a causa de la facilitat d'accés al sensor i la flexibilitat d'aquests sistemes. Els més estudiats són la reflectometría en dominis de temps i freqüència. La reflectometría òptica en el domini del temps (OTDR) va ser la primera tècnica utilitzada per a detectar la posició de les fallades en les xarxes de comunicació de fibra òptica. El OTDR sensible a la fase va fer possible detectar l'elongació i la temperatura en una posició específica. Paral·lelament, els gratings de Bragg (FBG) es van convertir en els dispositius més utilitzats per a implementar sensors en fibra òptica discrets. Es van desenvolupar tècniques de multiplexació per a realitzar la detecció en múltiples punts utilitzant FGBs. La reflectometría realitzada interrogant arrays de FBG febles demostra que millora el rendiment del sistema en comparació a l'ús d'una fibra monomodo. Els sistemes d'interrogatori actuals tenen alguns inconvenients. Alguns d'ells són velocitat d'interrogatori limitada, voluminositat i alt cost. En aquesta tesi doctoral es van desenvolupar nous sistemes d'interrogació i sensors de fibra òptica per a superar alguns d'aquests inconvenients. Els sensors de fibra òptica de plàstic demostren ser una plataforma innovadora per a desenvolupar nous sensors i siste-mes d'interrogació de baix cost i fàcils d'implementar per a fibres de plàstic comercials. Es va investigar la reflectometría en el domini del temps i les tècniques fotòniques de microones per a la interrogació d'una matriu de reixetes febles que van permetre simplificar el sistema d'interrogació per a la detecció de temperatura i vibració.[EN] Optical fibers are devices largely used in telecommunication field since their discovery. In the last decades, optical fibers started to be used as photonic sensors. The first works were focused on the measurement of physical dimensions to a specific point. Afterward, emerged the possibility to measure the optical fiber properties at different locations along the fiber. These kinds of sensors are defined as distributed sensors. The optoelectronic components were developed and investigated for telecommunications. The progress in telecommunication made possible the development of optical fiber sensors interrogation systems, growing in parallel with the advances of telecommunications. Optical fiber interrogation systems were developed to use a single standard monomode optical fiber as a sensor that can monitor tens of thousands of sensing points at the same time. The methods that extract the sensing information from the backscattered signal in the optical fiber are widely employed because of the easiness of access to the sensor element and the flexibility of these systems. The most studied are the reflectometry in time and frequency domains. The optical time domain reflectometry (OTDR) was the first technique used to detect the position of the failures in the optical fiber communication networks. Using phase sensitive OTDR it is possible to sense strain and temperature at a specific position. In parallel, fiber Bragg gratings (FBGs) became the most widely used devices to implement discrete optical fiber sensors. Multiplexing techniques were developed to perform multi points sensing using these gratings. The reflectometry performed interrogating weak FBGs arrays demonstrate to improve the performance of the system employing a single mode fiber. The interrogation systems nowadays have some drawbacks. Some of them are limited speed of interrogation, bulkiness, and high cost. New interrogation systems and optical fiber sensors were developed in this doctoral thesis to overcome some of these drawbacks. Plastic optical fiber sensors demonstrate to be an innovative platform to develop both new sensors and low cost, easy to implement interrogation systems for commercial plastic fibers. Reflectometry in time domain and microwave photonic techniques were investigated for the interrogation of weak gratings array allowed to simplify the interrogation system for the sensing of temperature and vibration.I would like to greatly thank the European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation Program that funded the research described in this thesis under the Marie Sklodowska-Curie Action Grant Agreement 722509.Sartiano, D. (2021). Design of optical fiber sensors and interrogation schemes [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/161357TESI
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