Methodology for measuring the vertical displacements of bridges using fibre bragg grating sensors

In many bridges, vertical displacements are one of the most relevant parameters for structural health monitoring in both the short- and long-terms. Bridge managers around the globe are always looking for a simple way to measure vertical displacements of bridges. However, it is difficult to carry out such measurements. On the other hand, in recent years, with the advancement of fibre-optic technologies, fibre Bragg grating (FBG) sensors are more commonly used in structural health monitoring due to their outstanding advantages including multiplexing capability, immunity of electromagnetic interference as well as high resolution and accuracy. For these reasons, a methodology for measuring the vertical displacements of bridges using FBG sensors is proposed. The methodology includes two approaches. One of which is based on curvature measurements while the other utilises inclination measurements from successfully developed FBG tilt sensors. A series of simulation tests of a full-scale bridge was conducted. It shows that both approaches can be implemented to measure the vertical displacements for bridges with various support conditions, varying stiffness along the spans and without any prior known loading. A static loading beam test with increasing loads at the mid-span and a beam test with different loading locations were conducted to measure vertical displacements using FBG strain sensors and tilt sensors. The results show that the approaches can successfully measure vertical displacements.

Visual performance with lenses correcting peripheral refractive errors

Purpose To design and manufacture lenses to correct peripheral refraction along the horizontal meridian and to determine whether these resulted in noticeable improvements in visual performance. Method Subjective refraction of a low myope was determined on the basis of best peripheral detection acuity along the horizontal visual field out to ±30° for both horizontal and vertical gratings. Subjective refraction was compared to objective refractions using a COAS-HD aberrometer. Special lenses were made to correct peripheral refraction, based on designs optimized with and without smoothing across a 3 mm diameter square aperture. Grating detection was retested with these lenses. Contrast thresholds of 1.25’ spots were determined across the field for the conditions of best correction, on-axis correction, and the special lenses. Results The participant had high relative peripheral hyperopia, particularly in the temporal visual field (maximum 2.9 D). There were differences > 0.5D between subjective and objective refractions at a few field angles. On-axis correction reduced peripheral detection acuity and increased peripheral contrast threshold in the peripheral visual field, relative to the best correction, by up to 0.4 and 0.5 log units, respectively. The special lenses restored most of the peripheral vision, although not all at angles to ±10°, and with the lens optimized with aperture-smoothing possibly giving better vision than the lens optimized without aperture-smoothing at some angles. Conclusion It is possible to design and manufacture lenses to give near optimum peripheral visual performance to at least ±30° along one visual field meridian. The benefit of such lenses is likely to be manifest only if a subject has a considerable relative peripheral refraction, for example of the order of 2 D.

Experimental verification of the modified spring-mass theory of fiber Bragg grating accelerometers using transverse forces

A fiber Bragg grating (FBG) accelerometer using transverse forces is more sensitive than one using axial forces with the same mass of the inertial object, because a barely stretched FBG fixed at its two ends is much more sensitive to transverse forces than axial ones. The spring-mass theory, with the assumption that the axial force changes little during the vibration, cannot accurately predict its sensitivity and resonant frequency in the gravitational direction because the assumption does not hold due to the fact that the FBG is barely prestretched. It was modified but still required experimental verification due to the limitations in the original experiments, such as the (1) friction between the inertial object and shell; (2) errors involved in estimating the time-domain records; (3) limited data; and (4) large interval ∼5 Hz between the tested frequencies in the frequency-response experiments. The experiments presented here have verified the modified theory by overcoming those limitations. On the frequency responses, it is observed that the optimal condition for simultaneously achieving high sensitivity and resonant frequency is at the infinitesimal prestretch. On the sensitivity at the same frequency, the experimental sensitivities of the FBG accelerometer with a 5.71 gram inertial object at 6 Hz (1.29, 1.19, 0.88, 0.64, and 0.31 nm/g at the 0.03, 0.69, 1.41, 1.93, and 3.16 nm prestretches, respectively) agree with the static sensitivities predicted (1.25, 1.14, 0.83, 0.61, and 0.29 nm/g, correspondingly). On the resonant frequency, (1) its assumption that the resonant frequencies in the forced and free vibrations are similar is experimentally verified; (2) its dependence on the distance between the FBG’s fixed ends is examined, showing it to be independent; (3) the predictions of the spring-mass theory and modified theory are compared with the experimental results, showing that the modified theory predicts more accurately. The modified theory can be used more confidently in guiding its design by predicting its static sensitivity and resonant frequency, and may have applications in other fields for the scenario where the spring-mass theory fails.

Vertical displacement measurement using fibre Bragg grating (FBG) sensors for structural health monitoring of bridges

This thesis developed a practical, cost effective, easy-to-use method for measuring the vertical displacements of bridges using fiber Bragg grating (FBG) sensors, which includes the curvature and inclination approaches. These approaches were validated by the numerical simulation tests on a full scale bridge and the laboratory-based tests. In doing so, a novel frictionless FBG inclination sensor with extremely high sensitivity and resolution has also been developed and validated.

Biaxial fiber Bragg grating accelerometer using axial and transverse forces

We demonstrate the first biaxial fiber Bragg grating (FBG) accelerometer using axial and transverse forces. An inertial object is fixed at the middle of two FBGs inscribed in one fiber. The difference between the resonant wavelengths of the two FBGs can distinguish the acceleration in the axial direction, while being insensitive in the transverse direction. The average of the resonant wavelengths of the two FBGs can distinguish the acceleration in the transverse direction, while being insensitive in the axial direction. In the experiments, when the transverse direction was vertical, the crest-to-trough sensitivity at 5 Hz and resonant frequency of the average were 0.545 nm/g and 34.42 Hz, respectively. When the axial direction was vertical, those of the difference were 0.0454 nm/g and 900 Hz, respectively. For each FBG, the crest-to-trough sensitivity at 5 Hz and resonant frequency in the transverse/vertical direction were 24 and 1/26 times those in the axial/vertical direction, respectively.

A novel method of Fiber Bragg Grating (FBG) strain modulation and its application in FBG accelerometers

This thesis has systemically investigated the possibility of improving one type of optical fiber sensors by using a novel mechanism. Many parameters of the sensor have been improved, and one outcome of this innovation is that civil structures, such as bridges and high-rise buildings, may be operated more safely and used longer.

Age-related changes in perception of movement in driving scenes

Purpose Age-related changes in motion sensitivity have been found to relate to reductions in various indices of driving performance and safety. The aim of this study was to investigate the basis of this relationship in terms of determining which aspects of motion perception are most relevant to driving. Methods Participants included 61 regular drivers (age range 22–87 years). Visual performance was measured binocularly. Measures included visual acuity, contrast sensitivity and motion sensitivity assessed using four different approaches: (1) threshold minimum drift rate for a drifting Gabor patch, (2) Dmin from a random dot display, (3) threshold coherence from a random dot display, and (4) threshold drift rate for a second-order (contrast modulated) sinusoidal grating. Participants then completed the Hazard Perception Test (HPT) in which they were required to identify moving hazards in videos of real driving scenes, and also a Direction of Heading task (DOH) in which they identified deviations from normal lane keeping in brief videos of driving filmed from the interior of a vehicle. Results In bivariate correlation analyses, all motion sensitivity measures significantly declined with age. Motion coherence thresholds, and minimum drift rate threshold for the first-order stimulus (Gabor patch) both significantly predicted HPT performance even after controlling for age, visual acuity and contrast sensitivity. Bootstrap mediation analysis showed that individual differences in DOH accuracy partly explained these relationships, where those individuals with poorer motion sensitivity on the coherence and Gabor tests showed decreased ability to perceive deviations in motion in the driving videos, which related in turn to their ability to detect the moving hazards. Conclusions The ability to detect subtle movements in the driving environment (as determined by the DOH task) may be an important contributor to effective hazard perception, and is associated with age, and an individuals' performance on tests of motion sensitivity. The locus of the processing deficits appears to lie in first-order, rather than second-order motion pathways.

Excitation of bound plasmons along nanoscale stripe waveguides: A comparison of end and grating coupling techniques

In this paper we excite bound long range stripe plasmon modes with a highly focused laser beam. We demonstrate highly confined plasmons propagating along a 50 μm long silver stripe 750 nm wide and 30 nm thick. Two excitation techniques were studied: focusing the laser spot onto the waveguide end and focusing the laser spot onto a silver grating. By comparing the intensity of the out-coupling photons at the end of the stripe for both grating and end excitation we are able to show that gratings provide an increase of a factor of two in the output intensity and thus out-coupling of plasmons excited by this technique are easier to detect. Authors expect that the outcome of this paper will prove beneficial for the development of passive nano-optical devices based on stripe waveguides, by providing insight into the different excitation techniques available and the advantages of each technique.

Fiber Bragg grating accelerometer based on a transversely rotating stick

Fiber Bragg Grating (FBG) accelerometers using transverse forces with an inertial object placed at the middle of the FBG have a high sensitivity but low resonant frequency. The resonant frequency 26 Hz and sensitivity at 6 Hz 1.29 nm/g were reported based on a 50mm-long FBG accelerometer. We demonstrate that the first FBG accelerometer based on a transversely rotating stick, which can, at the same or even larger size, keep the high sensitivity and significantly increase the low resonant frequency. In our experiments, a 77.5mm-long FBG accelerometer has achieved a similar sensitivity but 65% higher resonant frequency. This novel structure not only significantly widens the potential applications of FBG accelerometers by increasing their resonant frequencies but also provides a new route to design other accelerometers, e.g. micro accelerometers.

Pilot study: Effect of age on visual acuity with defocus and astigmatism

PURPOSE: To investigate how distance visual acuity in the presence of defocus and astigmatism is affected by age and whether aberration properties of young and older eyes can explain any differences. METHODS: Participants were 12 young adults (mean [±SD] age, 23 [±2] years) and 10 older adults (mean [±SD] age, 57 [±4] years). Cyclopleged right eyes were used with 4-mm effective pupil sizes. Thirteen blur conditions were used by adding five spherical lens conditions (-1.00 diopters [D], -0.50 D, plano/0.00 D, +0.50 D, and +1.00 D) and adding two cross-cylindrical lenses (+0.50 DS/-1.00 DC and +1.00 D/-2.00 DC, or 0.50 D and 1.00 D astigmatism) at four negative cylinder axes (45, 90, 135, and 180 degrees). Targets were single lines of high-contrast letters based on the Bailey-Lovie chart. Successively smaller lines were read until a participant could no longer read any of the letters correctly. Aberrations were measured with a COAS-HD Hartmann-Shack aberrometer. RESULTS: There were no significant differences between the two age groups. We estimated that 70 to 80 participants per group would be needed to show significant effects of the trend of greater visual acuity loss for the young group. Visual acuity loss for astigmatism was twice that for defocus of the same magnitude of blur strength (0.33 logMAR [logarithm of the minimum angle of resolution]/D compared with 0.18 logMAR/D), contrary to the geometric prediction of similar loss. CONCLUSIONS: Any age-related differences in visual acuity in the presence of defocus and astigmatism were swamped by interparticipant variation.

Temporal acuity in developmental dyslexia across the life span : Tactile, auditory, visual, and crossmodal estimations

Taustaa Kehityksellinen dysleksia (lukivaikeus) on erityinen lukemaan oppimisen vaikeus, johon liittyy usein myös vaikeuksia kirjoittamaan oppimisessa. Lukivaikeuden oletetaan useissa tapauksissa johtuvan vaikeudesta käsitellä kielen äännerakenteita (fonologinen prosessointi). Tämä poikkeavuus voi olla joko lukivaikeuden perimmäinen syy tai vaihtoehtoisesti ongelmat äänteiden käsittelyssä voivat heijastaa jotain vielä perustavamman tason vaikeutta. Eräs tällainen ehdotettu perustavan tasoin syy on poikkeavuus aistien toiminnoissa, erityisesti aistien aikatarkkuudessa. Aikatarkkuudella tarkoitetaan kykyä ja rajoja siinä, kuinka nopeasti esitettyä aistitiedon virtaa henkilö kykenee vastaanottamaan ja käsittelemään. Monet arjen toiminnot lukemisen rinnalla edellyttävät aistien erittäin tarkkaa ajallista erottelukykyä (esimerkiksi kuulo puheen ymmärtämisessä, tunto pintamateriaalin tunnistamisessa). Aikatarkkuusvaikeuksien esiintyvyyttä lukivaikeudessa on tutkittu aiemminkin, mutta yksimielisyyteen ei ole päästy siitä, onko kaikilla lukivaikeuksisilla näitä ongelmia tai mihin aisteihin vaikeudet mahdollisesti rajoittuvat. Myöskään ei tiedetä, havaitaanko aikatarkkuuden ongelmia kaiken ikäisillä lukivaikeuksisilla vai vaihteleeko mahdollinen ongelmien kuva iän mukana. Lisäksi on epäselvää, kuinka aikatarkkuuden ongelmat itseasiassa ovat yhteydessä kielen käsittelyn ja varsinaisen lukemisen vaikeuksiin. Tutkimussarjan aihe Tässä tutkimussarjassa aikatarkkuutta tutkittiin kolmessa yksittäisessä aistissa, joita olivat tunto, näkö ja kuulo, sekä kolmessa aistien välisessä yhdistelmässä, joita olivat audiotaktiilinen (kuulo-tunto), visuotaktiilinen (näkö-tunto) ja audiovisuaalinen (näkö-kuulo). Aikatarkkuutta arvioitiin kahdella eri menetelmällä, jotta saataisiin lisää tietoa siitä, missä tietyssä aikatarkkuuden osa-alueessa lukivaikeuksisilla mahdollisesti on vaikeuksia. Ensimmäisessä tehtävässä tutkittavan tuli arvioida, ovatko esitetyt ei-kielelliset ärsykkeet samanaikaisia vai eriaikaisia. Toisessa tehtävässä koehenkilön tuli arvioida esitettyjen ei-kielellisten ärsykkeiden esitysjärjestys. Molemmissa tehtävissä määriteltiin millisekuntitasolla (sekunnin tuhannesosa) se esitysnopeus, jolla koehenkilö kykeni arvioimaan ärsykkeiden ajalliset suhteet oikein. Englanninkielinen demonstraatio aikatarkkuustehtävistä löytyy internetistä (http://www.helsinki.fi/hum/ylpsy/neuropsy). Itse aikatarkkuustehtävien lisäksi tutkimussarjassa arvioitiin tutkimushenkilöiden päättelykykyä, kielellisiä toimintoja ja lukemista. Tutkimushenkilöt Tutkimuksiin osallistui 53 lukivaikeuksista ja 66 sujuvaa lukijaa, jotka oli jaettu kolmeen pääikäryhmään: lapset (8-12 vuotta), nuoret aikuiset (20-36 vuotta) ja ikääntyneemmät aikuiset (20-59 vuotta). Ikääntyneempien aikuisten ryhmä oli edelleen jaettu ikävuosikymmenluokkiin, mikä mahdollisti sen tutkimisen, vaikuttaako lisääntyvä aikuisikä lukivaikeuksisten aikatarkkuuteen (20-29, 30-39, 40-49 ja 50-59 -vuotiaat). Tutkimussarjan tulokset Aikatarkkuuden ongelmat lukivaikeuksisilla olivat yleistyneitä yli iän, aistien ja tehtävien Lukivaikeuksiset kaikissa pääikäryhmissä (lapset, nuoret aikuiset, ikääntyneemmän aikuiset) tarvitsivat samanikäisiä sujuvia lukijoita hitaamman esitystahdin, jotta he kykenivät arvioimaan ei-kielellisten ärsykkeiden ajallisen esitystavan oikein. Tämä aikatarkkuuden ongelma havaittiin lukivaikeuksisilla kaikissa aisteissa (tunto, kuulo, näkö) ja niiden yhdistelmissä (audiotaktiilinen, visuotaktiilinen, audiovisuaalinen). Lukivaikeuksisten aikatarkkuusongelmat ilmenivät edelleen molemmissa tehtävätyypeissä (samanaikaisuuden ja järjestyksen arvioinnissa). Aikatarkkuus ja sen ongelmat olivat yhteydessä äänteiden käsittelyyn Aikatarkkuus oli yhteydessä äänteiden käsittelykykyyn (fonologiseen prosessointiin), niin lapsilla kuin aikuisillakin, kaikissa aisteissa, niiden yhdistelmissä ja tehtävätyypeissä. Yhteys ei-kielellisen aikatarkkuuden ja kielellisten toimintojen välillä oli kuitenkin selkeämpi lukivaikeuksisilla kuin sujuvilla lukijoilla. Tämä tarkoittaa, että etenkin lukivaikeuksisilla ryhmätason huono aikatarkkuus oli yhteydessä huonoon äänteiden käsittelyyn (fonologiseen prosessointiin) ja päinvastoin. Suoraa yhteyttä lukemisen ja aikatarkkuuden välillä ei kuitenkaan havaittu. Lisääntyvä aikuisikä heikensi lukivaikeuksisten aikatarkkuutta suhteettoman paljon Tiedonkäsittelyn nopeuden on toistuvasti osoitettu hidastuvan normaalissa ikääntymisessä. Lisääntyvä aikuisikä (20-59 -vuotiailla) heikensikin sekä sujuvien että lukivaikeuksisten aikatarkkuutta. Toisin sanoen, mitä iäkkäämmästä aikuisesta oli kysymys, sitä hitaammin hänelle tuli esittää ärsykkeet, jotta hän kykeni arvioimaan niiden ajalliset suhteet oikein. Tämä ikään liittyvä tavanomainen hidastuminen oli kuitenkin yllättäen suhteettoman nopeaa lukivaikeuksisilla. Toisin sanoen, jo nuorilla lukivaikeuksisilla havaittu aikatarkkuuden vaikeus (ryhmäero verrattuna sujuviin lukijoihin) ei pysynyt saman suuruisena, vaan ryhmien ero kasvoi aikuisiän lisääntyessä. Tulosten merkitys Lukivaikeuden osoitettiin tässä tutkimussarjassa olevan yhteydessä yleistyneeseen vaikeuteen käsitellä ajassa nopeasti muuttuvaa ei-kielellistä aistitietoa (yli aistien ja niiden yhdistelmien, tehtävätyyppien, tutkittavien iän). Tämä osoittaa, että lukivaikeus ei ole ongelma, joka rajoittuu vain kielellisen materiaalin käsittelyn vaikeuksiin (äänteiden käsittely, lukeminen, kirjoittaminen). Nyt havaitut vaikeudet eivät myöskään rajoittuneet vain niihin aisteihin, jotka selkeimmin liittyvät lukemiseen (näkö) ja puhuttuun kieleen (kuulo); Ongelmia esiintyi myös muissa aisteissa (tunto). Lukivaikeuksisten lukijoiden ryhmätasolla havaittu aikatarkkuuden ongelma ei kuitenkaan heijastunut yksilötasolle; Jokainen lukivaikeuksinen ei ollut huono aikatarkkuustehtävissä. Näin ollen ei siis voida väittää, että kaikkien lukivaikeuksisten äänteiden käsittelyn tai lukemaan oppimisen vaikeudet voisivat selittyä aistien toimintojen poikkeavuudella. Aikatarkkuuden ongelmat eivät olleet yhteydessä varsinaiseen lukemiseen. Sekä lukivaikeuksisilla lapsilla että aikuisilla todettiin kuitenkin selkeä yhteys aikatarkkuuden ongelmien ja lukemaan oppimisen keskeisen ennakkoehdon, fonologisen prosessoinnin, välillä. Saattaa siis olla, että synnynnäinen aistien toimintojen poikkeavuus vaikuttaa yksilön suoriutumiseen jo ennen varsinaista lukemaan oppimista, kun ne taidot kehittyvät (fonologinen prosessointi), joille myöhempi lukemaan oppiminen perustuu. Ikäännyttäessä havaittu lukivaikeuksisten suhteettoman nopea aikatarkkuuden heikkeneminen osoittaa, että lukivaikeus ei voi olla ongelma, joka koskee vain lapsuusikää, tai vaikeus, joka johtuu vain kehityksen viivästymästä joka kurottaisiin iän myötä umpeen. Tulosten ymmärtämiseksi onkin muistettava kaksi seikkaa. Lukivaikeus on ensinnäkin yhdistetty synnynnäisiin, pieniin, poikkeavuuksiin aivojen rakenteissa ja toiminnoissa. Toisaalta tavanomaiseen ikääntymiseen liittyy se, että aivot kykenevät yhä huonommin korjaamaan ja kiertämään (kompensoimaan) pieniä vaurioita. Tämän perusteella tutkimussarjan tuloksista voidaan päätellä, että lukivaikeuksisten jo synnynnäisesti heikentyneet aivojen kompensointimahdollisuudet eivät ole yhtä tehokkaita puskuroimaan ikääntymisen tavanomaisia vaikutuksia kuin sujuvilla lukijoilla. Yllättävää kuitenkin on, että tämä korostunut heikkeneminen havaittiin jo suhteellisen nuorilla, työikäisillä, lukivaikeuksisilla, ennen 60 ikävuotta. Samanlaista ikäännyttäessä korostuvaa vaikeutta ei lukivaikeuksilla kuitenkaan havaittu päättelyssä, kielellisissä toiminnoissa tai itse lukemisessa. Vaikuttaakin siis siltä, että ne toiminnot, joita on harjaannutettu aktiivisesti, eivät heikkene kasvavan aikuisiän myötä yhtä suhteettomasti. Alkuperäiset artikkelit Laasonen M, Tomma-Halme J, Lahti-Nuuttila P, Service E, and Virsu V (2000) Rate of information segregation in developmentally dyslexic children, Brain and Language, 75(1), 66-81. Laasonen M, Service E, and Virsu V (2001) Temporal order and processing acuity of visual, auditory, and tactile perception in developmentally dyslexic young adults, Cognitive, Affective, and Behavioral Neuroscience, 1(4), 394-410. Laasonen M, Service E, and Virsu V (2002) Crossmodal temporal order and processing acuity in developmentally dyslexic young adults, Brain and Language, 80(3), 340-354. Laasonen M, Lahti-Nuuttila P, and Virsu V (2002) Developmentally impaired processing speed decreases more than normally with age, NeuroReport, 13(9), 1111-1113.

A Novel Opto Electro Mechanical Interrogation System for Measuring Wavelength Shifts in Fiber Bragg Grating (FBG) Sensors

Here, we describe a novel FBG interrogation system in which FBGs are used as both sensing and reference elements. The reference FBGs is bonded to a mechanical flexure system having a linear amplification of 1:3.5, which is actuated using a piezo-actuator by applying a 0-150V ramp. The lengths of the reference gratings decide the maximum strain that can be applied to the reference grating, which in turn decides that strain range which can be interrogated. The main advantages of the present system are the on-line measurement of the wavelength shifts, small size, good sensitivity, multiplexing capability and low cost.

Compact fiber Bragg grating dynamic strain sensor cum broadband thermometer for thermally unstable ambience

An instrument for simultaneous measurement of dynamic strain and temperature in a thermally unstable ambience has been proposed, based on fiber Bragg grating technology. The instrument can function as a compact and stand-alone broadband thermometer and a dynamic strain gauge. It employs a source wavelength tracking procedure for linear dependence of the output on the measurand, offering high dynamic range. Two schemes have been demonstrated with their relative merits. As a thermometer, the present instrumental configuration can offer a linear response in excess of 500 degrees C that can be easily extended by adding a suitable grating and source without any alteration in the procedure. Temperature sensitivity is about 0.06 degrees C for a bandwidth of 1 Hz. For the current grating, the upper limit of strain measurement is about 150 mu epsilon with a sensitivity of about 80 n epsilon Hz(-1/2). The major source of uncertainty associated with dynamic strain measurement is the laser source intensity noise, which is of broad spectral band. A low noise source device or the use of optical power regulators can offer improved performance. The total harmonic distortion is less than 0.5% up to about 50 mu epsilon, 1.2% at 100 mu epsilon and about 2.3% at 150 mu epsilon. Calibrated results of temperature and strain measurement with the instrument have been presented. Traces of ultrasound signals recorded by the system at 200 kHz, in an ambience of 100-200 degrees C temperature fluctuation, have been included. Also, the vibration spectrum and engine temperature of a running internal combustion engine has been recorded as a realistic application of the system.