Cảm biến sợi mới có thể phát hiện nhanh các vấn đề kết cấu trong các cây cầu và đập

Các nhà nghiên cứu đã phát triển một cảm biến nhiệt độ - biến dạng nhanh hơn, có 1 triệu điểm cảm biến trên một sợi quang chuẩn 10 km. Nó có thể hữu ích cho việc theo dõi sự toàn vẹn của các cấu trúc lớn và cảm quan y sinh học.

Ngày nay, có sự quan tâm lớn trong việc sử dụng các cảm biến phân tán để theo dõi liên tục khả năng chịu lực của kết cấu lớn như đập hoặc cầu. Với 1 triệu điểm cảm biến, một bộ cảm biến phân tán sợi quang mới được phát triển có thể phát hiện nhanh hơn đáng kể các vấn đề về kết cấu so với ứng dụng hiện tại.

 Alejandro Dominguez-Lopez thuộc Đại học Alcala, Tây Ban Nha, cho biết: "Với bộ cảm biến sợi, có thể phát hiện chính xác sự ăn mòn hoặc nứt trước khi đập bị hư hỏng, phát hiện sớm vấn đề có nghĩa là nó có thể ngăn chặn trước khi nó trở nên tồi tệ hơn hoặc có thể cung cấp thêm thời gian để sơ tán".

 Cảm biến phân tán sợi quang là lý tưởng để giám sát cơ sở hạ tầng vì chúng có thể được sử dụng trong môi trường khắc nghiệt và trong các khu vực thiếu nguồn điện gần đó. Nếu một sợi quang đơn được đặt dọc theo chiều dài của một cây cầu, ví dụ, các thay đổi kết cấu tại bất kỳ điểm cảm biến dọc theo sợi quang sẽ gây ra những thay đổi có thể phát hiện trong nguồn sáng di chuyển trong sợi. Mặc dù sự phổ biến của bộ cảm biến phân tán sợi quang ngày càng tăng nhưng hiện nay chúng được sử dụng chủ yếu để phát hiện rò rỉ trong đường ống dẫn dầu và để theo dõi trượt đất dọc theo đường sắt.

 Trong tạp chí Optical Society (OSA) Optics Letters, Dominguez-Lopez và các đồng nghiệp của ông từ UAH và Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sỹ (EPFL) đã báo cáo cảm biến phân tán sợi quang đầu tiên có thể cảm nhận sự thay đổi nhiệt độ và ứng suất từ ​​1 triệu điểm cảm biến qua sợi quang 10 km trong vòng chưa đầy 20 phút. Ứng suất, là thước đo của biến dạng, chỉ ra ứng suất cơ học là bao nhiêu trên một đối tượng hoặc kết cấu.

 Bộ cảm biến mới nhanh hơn khoảng 4,5 lần so với cảm biến được báo cáo trước đây với 1 triệu điểm cảm biến. Càng nhiều điểm cảm biến có nghĩa là số lượng sợi quang cần thiết để giám sát toàn bộ kết cấu ít hơn. Điều này đơn giản hoá sơ đồ cảm biến tổng thể và có thể làm giảm chi phí.

"Bởi vì chúng ta có một mật độ lớn các điểm cảm biến trên mỗi centimet - bộ cảm biến được tối ưu hóa của chúng tôi cũng có thể được sử dụng để giám sát các ứng dụng như hệ thống điện tử hàng không và không gian vũ trụ, ở đó điều quan trọng là biết cái gì đang diễn ra ở mỗi cm của máy bay , ví dụ", Dominguez-Lopez nói.

Cải thiện hiệu suất cảm biến

Bộ cảm biến mới sử dụng một phương pháp được gọi là phân tích miền thời gian quang học Brillouin, yêu cầu tín hiệu sóng xung laser liên tục để tương tác. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng phương pháp truyền thống tạo ra tín hiệu liên tục đã gây ra sự méo mó trong hệ thống ở cường độ laser cao hơn. Những vấn đề này có thể tránh được bằng cách thay đổi cách mà tín hiệu laser đã được tạo ra, cho phép họ tăng cường độ laser và do đó cải thiện hiệu suất cảm biến.

Dominguez-Lopez cho biết các tác động bất lợi mà họ đã nghiên cứu và điều chỉnh đã ảnh hưởng đến hiệu năng của các bộ cảm biến miền thời gian quang học Brillouin có sẵn trên thị. "Nếu các nhà sản xuất kết hợp tối ưu hóa của chúng tôi vào cảm biến của họ, nó có thể cải thiện hiệu suất, đặc biệt là về tốc độ thu nhận."

Sử dụng cách tiếp cận mới, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng họ có thể đo nhiệt độ của một điểm nóng trong khoảng 3o C từ cuối một sợi dài 10-km.

Các ứng dụng sắp tới

Các nhà nghiên cứu hiện đang làm việc để làm cho cảm biến nhanh hơn bằng cách giảm thời gian thu nhận. Họ cũng muốn tăng mật độ điểm cảm biến trên một centimet, cho phép công nghệ này mở rộng ra các lĩnh vực hoàn toàn mới như ứng dụng y sinh học.

Các sợi quang cũng có thể được điều chỉnh để sử dụng trong hàng dệt, ở đó các cảm biến có thể giúp theo dõi sức khoẻ của người bệnh hoặc sàng lọc bệnh. Ví dụ, các nhà nghiên cứu nghĩ rằng có thể sử dụng các cảm biến sợi quang để phát hiện sự chênh lệch nhiệt độ trong ung thư vú. Đối với loại ứng dụng này, nhiều điểm cảm biến trong một diện tích nhỏ sẽ quan trọng hơn việc sử dụng một sợi quang dài riêng biệt.

 Dominguez-Lopez cho biết họ không chỉ xác định được hạn chế lớn nhất của kỹ thuật cảm biến này mà còn chứng minh được cách để vượt qua những giới hạn. “Bộ cảm biến mới cho phép cải thiện việc giám sát kết cấu đưa công nghệ cảm biến tới những lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng mới thú vị".

Trần Mạnh Khải 

Nguồn: sciencedaily.com