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We present our achievements in the development of distributed fiber optic sensing systems based on Brillouin optical frequency-domain analysis for structural health monitoring. The focus of the applications is on the gapless monitoring of geotechnical structures, large area infrastructures and electrical grids. The work includes the latest use of machine learning algorithms to reduce measurement time by coexistent increasing the measurement accuracy.
Monitoring of construction projects plays increasingly important role in the implementation of growing needs and requirements, especially in geologically difficult areas. This particularly concerns tunnelling and special civil engineering projects. The use of fiber optic sensors for structural health monitoring provides significant economic advantages regarding lower life-cycle costs of the civil infrastructure. We present our achievements in the development of distributed polymer optical fiber sensors based on Rayleigh and Brillouin scattering for early damage detection.
In this paper, a cost-efficient distributed fiber optic measurement system based on Rayleigh scattering is presented. The distributed digital incoherent optical frequency domain reflectometry (I-OFDR) method is developed for detection of significantly large strain in the range from 3 % up to 10 % as required by end users. For this purpose, a vector network analyzer used in the I-OFDR is replaced by a compact and cost-effective digital data acquisition system. This digital emitting/receiving unit enables the recording of the complex transfer function carrying information about the local deformations along the entire sensing fiber.
Es wird ein faseroptisches Messsystem vorgestellt, welches auf Basis der Rayleigh-Rückstreumessung eine ortsauflösende Detektion von signifikant großen Dehnungen bei Bauvorhaben im von Anwendern geforderten Größenordnungsbereich von 3 % bis 10 % ermöglicht. Mit dem Verfahren der digitalen inkohärenten optischen Frequenzbereichsreflektometrie (I-OFDR) werden materialspezifische Vorteile robuster perfluorierter polymeroptischer Fasern (PF-POF) erschlossen. Für den angestrebten industriellen Einsatz für die Zustandsüberwachung im Bereich des Tunnel- und Spezialtiefbaus soll die spezifische Rückstreuzunahme in der PF-POF hochauflösend gemessen werden. Diese Veröffentlichung zeigt in ersten Projektergebnissen die Eignung des digitalen I-OFDR für eine Dehnungsdetektion von bis zu 10%.
Distributed humidity fiber-optic sensor based on BOFDA using a simple machine learning approach
(2022)
We report, to our knowledge for the first time, on distributed relative humidity sensing in silica polyimide-coated optical fibers using Brillouin optical frequency domain analysis (BOFDA). Linear regression, which is a simple and well-interpretable algorithm in machine learning and statistics, is utilized. The algorithm is trained using as features the Brillouin frequency shifts and linewidths of the fiber’s multipeak Brillouin spectrum. To assess and improve the effectiveness of the regression algorithm, we make use of machine learning concepts to estimate the model’s uncertainties and select the features that contribute most to the model’s performance. In addition to relative humidity, the model is also able to simultaneously provide distributed temperature information addressing the well-known cross-sensitivity effects.
In this work, we present our results achieved in several research activities for development of distributed fiber optic radiation sensors using glass and polymer optical fibers. The findings show that both the measurement of the radiation-induced attenuation (RIA) along the entire sensing fiber and the accompanying change in the refractive index of the fiber core can be used for distributed radiation monitoring.
The topic of the presentation are distributed fiber optic measurement techniques that can be used for long-term monitoring of strain, temperature and radiation distribution in the radiation environment. The fiber optic sensors applied to the surface of waste packages provide detection and localization of cracks.
In this work, we present our results achieved in several research activities for development of fiber optic dosimeters. The findings show that both the measurement of the radiation-induced attenuation (RIA) along the entire sensing fiber and the accom panying change in the refractive index of the fiber core can be used for distributed radiation monitoring in the kGy and MGy range, respectively. Depending on the fiber type and material the RIA shows varying response to dose rates, environmental temperatures and the wavelength of the laser source used.
Der Anstieg der Vielfalt nuklearer Anwendungen weit über die Bereiche der kerntechnischen Stromerzeugung erhöht die Relevanz der Entwicklung und Anwendung neuer Technologien zur Strahlungsüberwachung. Auch die offenen Sicherheitsfragen bei der Entsorgung radioaktiver Abfälle einschließlich Zwischen- und Endlagerungsproblematik verstärkt die Nachfrage nach effizienten Monitoringsystemen zum Schutz von Mensch und Umwelt vor ionisierender Strahlung. Aufgrund ihrer messtechnisch vorteilhaften Materialeigenschaften stellen die faseroptischen Strahlungssensoren eine vielversprechende Alternative zu traditionellen Dosimetern dar. Bedingt durch ihre kleinen Abmessungen, elektromagnetische Unempfindlichkeit und ihr geringes Gewicht können faseroptische Sensoren in einer harschen Umgebung an schwer zugänglichen Stellen eingesetzt werden. Darüber hinaus bietet diese Art der Sensoren die Möglichkeit der ortsverteilten Messung entlang der gesamten Sensorfaser. Somit kann durch eine einzelne optische Faser eine Vielzahl an punktuell messenden Sensoren ersetzt werden. Dieser Beitrag beschreibt die in der BAM vorangetriebenen Entwicklungen unterschiedlicher Sensorprinzipien, -lösungen und -verfahren zur Detektion ionisierender Strahlung.