Spatially-multiplexed fibre-optic Bragg grating strain and temperature sensor system based on interferometric wavelength-shift detection

A prototype fibre-optic system using interferometric wavelength-shift detection, capable of multiplexing up to 32 fibre-optic Bragg grating strain and temperature sensors with identical characteristics, has been demonstrated. This system is based on a spatially multiplexed scheme for use with fibre-based low-coherence interferometric sensors, reported previously. Four fibre-optic Bragg grating channels using the same fibre grating have been demonstrated for measuring quasi-static strain and temperature.

Fibre Bragg grating sensor interrogation using an acousto-optic tunable filter and low-coherence interferometry

We describe how an acousto-optic tunable filter can be used to both demultiplex the signals from multiple fibre Bragg grating sensors and simultaneously provide wide bandwidth signal demodulation in a system using interferometric wavelength shift detection. In an experimental demonstration, the approach provided a noise limited strain resolution of 24.9 nε Hz -1/2 at 15 Hz. © 2007 IOP Publishing Ltd.

Sensitivity-enhanced fiber optic temperature sensor with strain response suppression

A temperature sensor based on a multimode-singlemode-multimode (MSM) fiber structure has been proposed and experimentally demonstrated. By utilizing the interference between fiber core and cladding modes, temperature measurement is exploited by monitoring the selected resonant dips shift of the transmission spectrum. A high temperature sensitivity of 50.65 pm/ºC is achieved at a certain resonant dip, accompanied by a suppressed strain sensitivity of only 0.587 pm/με. The sensor reveals the advantages of easy fabrication and interrogation, low cost and small axial strain response. © 2013 Elsevier Inc. All rights reserved.

Fibre optic chemical sensor based on graphene oxide-coated long period grating

In this work, a graphene oxide-coated long period fibre grating (GO-LPG) is proposed for chemical sensing application. Graphene oxide (GO) has been deposited on the surface of long period grating to form a sensing layer which significantly enhances the interaction between LPG propagating light and the surrounding-medium. The sensing mechanism of GO-LPG relies on the change of grating resonance intensity against surrounding-medium refractive index (SRI). The proposed GO-LPG has been used to measure the concentrations of sugar aqueous solutions. The refractive index sensitivities with 99.5 dB/RIU in low refractive index region (1.33-1.35) and 320.6 dB/RIU in high index region (1.42-1.44) have been achieved, showing an enhancement by a factor of 3.2 and 6.8 for low and high index regions, respectively. The proposed GO-LPG can be further extended to the development of optical biochemical sensor with advantages of high sensitivity, real-time and label-free sensing.

Temperaturüberwachung und Steuerung eines Heizund Kühlsystems mittels Daten-Austauschs über das GSM-Netz

In der heutigen Zeit wird das Handy immer mehr in verschiedenen Bereichen benutzt. Und die älteren Flüssigkeitsthermometer werden wegen ihrer Ungenauigkeit, Zerbrechlichkeit und Gefahr durch austretende Quecksilberdämpfe den Ansprüchen unserer modernen Technik längst nicht mehr gerecht und finden demzufolge keine Anwendung mehr. Deswegen wird im Rahmen dieser Masterarbeit ein Gerät entwickelt, welches die Temperatur messen und die Daten mit dem vorhandenen GSM-Netz verbinden und anzeigen kann.Ein an ein Mikrocontrollersystem, das Linux basiert arbeitet, angeschlossener Temperatursensor soll zur Überwachung der Umgebungstemperatur dimensioniert und entwickelt werden. Die zu messende Temperatur wird periodisch vom Mikrocontrollersystem aufgenommen und verarbeitet, anschließend auf eine LCD angezeigt. Aufgrund von einstellbaren Rahmenbedingungen werden die Rohdaten oder auch bereits vorverarbeitete Datensätze von diesem System mittels eines GSM-Moduls an ein Auswertesystem verschickt. Das Auswertesystem soll neben der Anzeige der empfangenden Daten in der Lage sein, zu definierende Steuersequenzen an das Mikrocontrollersystem mit angeschlossenem Sensor zu verschicken, und direkten zu steuern.

Mikrozystisches Makulaödem bei Optikusatrophie: eine Fallserie Microcystic Macular Edema in Optic Nerve Atrophy: A Case Series.

Background:Microcystic macular edema can occur after optic neuropathies of various etiologies, and is easily demonstrated by OCT. We report a cohort of patients with microcystic macular edema. Patients and Methods: All patients with optic neuropathy and microcystic macular edema were enrolled. Demographics, visual function, retinal angiographies and OCT parameters were studied. Results: Nineteen patients (23 eyes) exhibited microcystic macular edema: 10 men/9 women, aged 17-91 years. Etiologies of optic nerve atrophy were compressive (5), inflammatory (4), glaucoma (3), ischemic (3), trauma (2), degenerative (1), and hereditary (1). Median visual acuity was 4/10 (NLP-12/10). Fluorescein angiography showed no leakage. Topography of the microcystic macular edema correlated with near infrared images but with visual field defects in only 26 %. OCT parameters were all abnormal. Conclusions: Microcystic macular edema is a non-specific manifestation from an optic neuropathy of any etiology. The precise mechanism leading to microcystic macular edema remains unknown but trans-synaptic retrograde degeneration with Müller cells dysfunction is likely. Zusammenfassung Hintergrund: Das mikrozystische Makulaödem kann im Rahmen einer Optikusatrophie jeglicher Ätiologie auftreten und ist leicht mit dem OCT zu erkennen. Wir berichten über eine Patientenkohorte mit mikrozystischem Makulaödem. Patienten und Methoden: Alle Patienten mit einer Optikusneuropathie und einem mikrozystischen Makulaödem wurden in diese Studie eingeschlossen. Die Demografie, die Sehfunktion, die Netzhautangiografie und die OCT-Parameter wurden untersucht. Ergebnisse: Neunzehn Patienten (23 Augen) hatten ein mikrozystisches Makulaödem: 10 Männer/9 Frauen im Alter von 17 bis 91 Jahren. Die Ursachen der Optikusatrophie waren Kompressionen (5), Entzündungen (4), Glaukom (3), Ischämien (3), Traumata (2), Degenerationen (1) und genetisch (1). Der mittlere Visus war 0,4 (keine Lichtwahrnehmung 1,2). In der Fluoreszenzangiografie fand sich keine Leckage. Das OCT des mikrozystischen Makulaödems korrelierte immer mit den Infrarot-Bildern (Nahaufnahme), jedoch nur in 26 % mit den Gesichtsfelddefekten. Alle OCT-Parameter waren abnormal. Schlussfolgerungen: Das mikrozystische Makulaödem ist eine unspezifische Manifestation einer Optikusneuropathie jeglicher Ätiologie. Der genaue Mechanismus, der zu einem mikrozystischen Makulaödem führt, ist unbekannt, eine trans-synaptische retrograde Degeneration mit Dysfunktion der Müller-Zellen ist jedoch wahrscheinlich.

Design. Fabrication and Characterization of Fiber Optic Sensors for Physical and Chemical Applications

Advent of lasers together with the advancement in fiber optics technology has revolutionized the sensor technology. Advancement in the telemetric applications of optical fiber based measurements is an added bonus. The present thesis describes variety of fiber based sensors using techniques like micro bending, long period grating and evanescent waves. Sensors to measure various physical and chemical parameters are described in this thesis.

Design and Development of Fiber Optic Sensors for Trace Detection of Certain Environmental Pollutants

In recent years,photonics has emerged as an essential technology related to such diverse fields like laser technology,fiber optics,communication,optical signal processing,computing,entertainment,consumer electronics etc.Availabilities of semiconductor lasers and low loss fibers have also revolutionized the field of sensor technology including telemetry. There exist fiber optic sensors which are sensitive,reliable.light weight and accurate devices which find applications in wide range of areas like biomedicine,aviation,surgery,pollution monitoring etc.,apart from areas in basic sciences.The present thesis deals with the design,fabrication and characterization of a variety of cost effective and sensitive fiber optic sensors for the trace detetction of certain environment pollutants in air and water.The sensor design is carried out using the techniques like evanescent waves,micro bending and long period gratings.

Development of thermo-analytical prediction and classification models for food in thermal devices using a multi sensor system and artificial neural networks

Die thermische Verarbeitung von Lebensmitteln beeinflusst deren Qualität und ernährungsphysiologischen Eigenschaften. Im Haushalt ist die Überwachung der Temperatur innerhalb des Lebensmittels sehr schwierig. Zudem ist das Wissen über optimale Temperatur- und Zeitparameter für die verschiedenen Speisen oft unzureichend. Die optimale Steuerung der thermischen Zubereitung ist maßgeblich abhängig von der Art des Lebensmittels und der äußeren und inneren Temperatureinwirkung während des Garvorgangs. Das Ziel der Arbeiten war die Entwicklung eines automatischen Backofens, der in der Lage ist, die Art des Lebensmittels zu erkennen und die Temperatur im Inneren des Lebensmittels während des Backens zu errechnen. Die für die Temperaturberechnung benötigten Daten wurden mit mehreren Sensoren erfasst. Hierzu kam ein Infrarotthermometer, ein Infrarotabstandssensor, eine Kamera, ein Temperatursensor und ein Lambdasonde innerhalb des Ofens zum Einsatz. Ferner wurden eine Wägezelle, ein Strom- sowie Spannungs-Sensor und ein Temperatursensor außerhalb des Ofens genutzt. Die während der Aufheizphase aufgenommen Datensätze ermöglichten das Training mehrerer künstlicher neuronaler Netze, die die verschiedenen Lebensmittel in die entsprechenden Kategorien einordnen konnten, um so das optimale Backprogram auszuwählen. Zur Abschätzung der thermische Diffusivität der Nahrung, die von der Zusammensetzung (Kohlenhydrate, Fett, Protein, Wasser) abhängt, wurden mehrere künstliche neuronale Netze trainiert. Mit Ausnahme des Fettanteils der Lebensmittel konnten alle Komponenten durch verschiedene KNNs mit einem Maximum von 8 versteckten Neuronen ausreichend genau abgeschätzt werden um auf deren Grundlage die Temperatur im inneren des Lebensmittels zu berechnen. Die durchgeführte Arbeit zeigt, dass mit Hilfe verschiedenster Sensoren zur direkten beziehungsweise indirekten Messung der äußeren Eigenschaften der Lebensmittel sowie KNNs für die Kategorisierung und Abschätzung der Lebensmittelzusammensetzung die automatische Erkennung und Berechnung der inneren Temperatur von verschiedensten Lebensmitteln möglich ist.

Interferometrisch messender faseroptischer Sensor mit mechanisch oszillierender Sonde

Punktförmig messende optische Sensoren zum Erfassen von Oberflächentopografien im Nanometerbereich werden in der Forschung und Industrie benötigt. Dennoch ist die Auswahl unterschiedlicher Technologien und kommerziell verfügbarer Sensoren gering. In dieser Dissertationsschrift werden die wesentlichen Aspekte eines Messsystems untersucht das über das Potenzial verfügt, zu den künftigen Standardmessmethoden zu gehören. Das Messprinzip beruht auf einem Common-Path-Interferometer. In einer mikrooptischen Sonde wird das Laserlicht auf die zu untersuchende Oberfläche gerichtet. Das vom Messobjekt reflektierte Licht interferiert sondenintern mit einem Referenzreflex. Die kompakte Bauweise bewirkt kurze optische Wege und eine gewisse Robustheit gegen Störeinflüsse. Die Abstandsinformation wird durch eine mechanische Oszillation in eine Phasenmodulation überführt. Die Phasenmodulation ermöglicht eine robuste Auswertung des Interferenzsignals, auch wenn eine zusätzliche Amplitudenmodulation vorhanden ist. Dies bietet den Vorteil, unterschiedlich geartete Oberflächen messen zu können, z. B. raue, teilweise transparente und geneigte Oberflächen. Es können wiederholbar Messungen mit einer Standardabweichung unter einem Nanometer erzielt werden. Die beschriebene mechanische Oszillation wird durch ein periodisches elektrisches Signal an einem piezoelektrischen Aktor hervorgerufen, der in einem Biegebalken integriert ist. Die Bauform des Balkens gestattet eine Hybridisierung von optischen und mechanischen Komponenten zu einer Einheit, welche den Weg zur weiteren Miniaturisierung aufzeigt. Im Rahmen dieser Arbeit konnte so u. a. eine Sonde mit einer Bauhöhe unter 10 mm gefertigt werden. Durch eine zweite optische Wellenlänge lässt sich der eingeschränkte Eindeutigkeitsbereich des Laserinterferometers nachweislich vergrößern. Die hierfür eingesetzte Methode, die Stand der Technik ist, konnte erfolgreich problemspezifisch angepasst werden. Um das volle Potenzial des Sensors nutzen zu können, wurden zudem zahlreiche Algorithmen entworfen und erfolgreich getestet. Anhand von hier dokumentierten Messergebnissen können die Möglichkeiten, als auch die Schwächen des Messsystems abgeschätzt werden.

Magneto-optische Oberflächenplasmonresonanzeffekte in austauschverschobenen Dünnschichtsystemen

Die Wechselwirkungen zwischen Biomolekülen spielen eine zentrale Rolle in der biochemischen und pharmazeutischen Forschung. In der biomolekularen Interaktionsanalyse sind dabei Biosensoren auf Basis des Oberflächenplasmonresonanzeffekts (SPR-Effekt) weitverbreitet. Seit Einführung der ersten kommerziellen SPR-Biosensoren Anfang der 1990er Jahre wurden verschiedenste Messanordnungen sowie Materialsysteme mit dem Ziel einer möglichst hohen Empfindlichkeit getestet. Eine Möglichkeit zur Steigerung der Empfindlichkeit klassischer SPR-Systeme bieten sogenannte magneto-optische SPR-Biosensoren (MOSPR-Biosensoren). Grundlage der Empfindlichkeitssteigerung ist die gleichzeitige Messung des SPR-Effekts und des transversalen magneto-optischen KERR-Effekts (tMOKE). Bisherige Untersuchungen haben sich meist auf den Einfluss der Magnetisierung freier ferromagnetischer Schichten beschränkt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden erstmals austauschverschobene Dünnschichtsysteme (EB-Systeme), eine Kombination aus Ferromagnet und Antiferromagnet, hinsichtlich ihrer Eignung für SPR- und MOSPR-basierte biosensorische Anwendungen untersucht. Aufgrund der remanenten Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht und ihrer magnetischen Strukturierbarkeit sind EB-Systeme eine hochinteressante Plattform zur Realisierung neuer Biosensorkonzepte. Zur Reduzierung der stark dämpfendenden Wirkung magnetischer Materialien wurde das hier betrachtete IrMn/Co EB-System zwischen zwei Goldschichten eingebettet. Eine Gegenüberstellung optimierter Au/ IrMn/Co/Au-Systeme mit einem reinen Au-System, wie es typischerweise in kommerziellen SPR-basierten Biosensoren eingesetzt wird, demonstriert, dass mit den entwickelten EB-Systemen vergleichbare Empfindlichkeiten in SPR-Sensor-Anwendungen erreicht werden können. Die magneto-optische Aktivität der untersuchten Dünnschichtsysteme liegt im Bereich der Literaturwerte für Au/Co/Au-Systeme, mit denen erhöhte Empfindlichkeiten gegenüber Standard-SPR-Biosensoren realisiert wurden. Auf Grundlage magnetisch strukturierter Au/IrMn/Co/Au-Systeme wurden neue Biosensorkonzepte entwickelt und getestet. Erste Experimente belegen, dass mit diesen Schichtsystemen eine gleichzeitige Detektion der magnetisierungsabhängigen Reflektivitäten in ortsauflösenden MOSPR-Messungen möglich ist. Eine solche Messanordnung profitiert von der erhöhten Empfindlichkeit MOSPR-basierter Biosensoren, hohen Messgeschwindigkeiten und einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis. Weiterhin wurde der domänenwandassistierte Transport (DOWMAT) superparamagnetischer Partikel über der Oberfläche eines exemplarischen EB-Systems, zur Sensorintegration von Misch-, Reinigungs- und Aufkonzentrationsfunktionen erfolgreich getestet. Die Ergebnisse demonstrieren, dass ein Transport von Partikelreihen mit hohen Geschwindigkeiten bei moderaten externen Magnetfeldern über den entwickelten Schichtsystemen möglich ist. Die Agglomeration der Partikel wird dabei intrinsisch vermieden. Diese Beobachtungen verdeutlichen die Vorzüge des DOWMAT-Mechanismus für biosensorische Anwendungen. Die präsentierten Untersuchungen bilden die Grundlage auf dem Weg zur Umsetzung neuer vielversprechender Biosensorkonzepte, die eine Schlüsselfunktion in der medizinischen point-of-care-Diagnostik bei der Detektion kleinster Konzentrationen krankheitsrelevanter Biomarker einnehmen können.

Demodulação de sinais interferométricos de saída de sensor eletro-óptico de tensões elevadas utilizando processador digital de sinais

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Sensor eletro-óptico de tensões elevadas e sua viabilidade para implementação de TP óptico

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Der Carrier DcuB als zweiter Sensor des Zweikomponentensystems DcuSR in Escherichia coli

Escherichia coli kann C4-Dicarboxylate und andere Carbonsäuren als Substrate für den aeroben und anaeroben Stoffwechsel nutzen. Die Anwesenheit von C4-Dicarboxylaten im Außenmedium wird über das Zweikomponentensystem DcuSR, bestehend aus der membranständigen Sensorkinase DcuS und dem cytoplasmatischen Responseregulator DcuR, erkannt. Die Bindung von C4-Dicarboxylaten an die periplasmatische Domäne von DcuS führt zu einer Induktion der Zielgene. Hierzu zählen die Gene für den anaeroben Fumarat/Succinat-Antiporter DcuB (dcuB), die anaerobe Fumarase (fumB) und die Fumaratreduktase (frdABCD). Unter aeroben Bedingungen stimuliert DcuSR die Expression des dctA Gens, das für den aeroben C4-Dicarboxylat-Carrier DctA kodiert. Für den Carrier DcuB konnte eine regulatorische Funktion bei der Expression der DcuSR-regulierten Gene gezeigt werden. Die Inaktivierung des dcuB Gens führte bereits ohne Fumarat zu einer maximalen Expression einer dcuB´-´lacZ Reportergenfusion und anderer DcuSR-abhängiger Gene. Diese Stimulierung erfolgte nur in einem dcuS-positiven Hintergrund. DcuB unterscheidet sich damit von den alternativen Carriern DcuA und DcuC, die diesen Effekt nicht zeigten. Mithilfe ungerichteter Mutagenese wurden DcuB-Punktmutanten hergestellt (Thr394Ile und Asp398Asn), die eine Geninduktion verursachten, aber eine intakte Transportfunktion besaßen. Dies zeigt, dass der regulatorische Effekt von DcuB unabhängig von dessen Transportfunktion ist. Durch gerichtete Mutagenese wurde die Funktion einer Punktmutation (Thr394) näher charakterisiert. Es werden zwei Modelle zur Membrantopologie von DcuB und der Lage der Punktmutationen im Protein vorgestellt. Da DcuB seine regulatorische Funktion über eine Interaktion mit DcuS vermitteln könnte, wurden mögliche Wechselwirkungen zwischen DcuB und DcuS als auch DcuR mithilfe von Two-Hybrid-Systemen untersucht. Für biochemische Untersuchungen von DcuB wurde außerdem die Expression des Proteins in vivo und in vitro versucht. Unter aeroben Bedingungen beeinflusst der C4-Dicarboxylat-Carrier DctA die Expression der DcuSR-abhängigen Gene. Eine Mutation des dctA Gens bewirkte eine stärkere Expression einer dctA´-´lacZ Reportergenfusion im Vergleich zum Wildtyp. Diese Expression nahm in einem dcuS-negativen Hintergrund ab, die Succinat-abhängige Induktion blieb jedoch erhalten. Unter anaeroben Bedingungen kann das dctA Gen auch durch Inaktivierung von DcuB induziert werden. Es wird ein Modell vorgestellt, das die Beteiligung beider Carrier an der DcuSR-abhängigen Regulation erklärt.

Oligomerisation, localisation and interaction of the sensor histidine kinases DcuS and CitA in Escherichia coli

The two-component system DcuSR of Escherichia coli regulates gene expression of anaerobic fumarate respiration and aerobic C4-dicarboxylate uptake. C4-dicarboxylates and citrate are perceived by the periplasmic domain of the membrane-integral sensor histidine kinase DcuS. The signal is transduced across the membrane by phosphorylation of DcuS and of the response regulator DcuR, resulting in activation of DcuR and transcription of the target genes.rnIn this work, the oligomerisation of full-length DcuS was studied in vivo and in vitro. DcuS was genetically fused to derivatives of the green fluorescent protein (GFP), enabling fluorescence resonance energy transfer (FRET) measurements to detect protein-protein interactions in vivo. FRET measurements were also performed with purified His6-DcuS after labelling with fluorescent dyes and reconstitution into liposomes to study oligomerisation of DcuS in vitro. In vitro and in vivo fluorescence resonance energy transfer showed the presence of oligomeric DcuS in the membrane, which was independent of the presence of effector. Chemical crosslinking experiments allowed clear-cut evaluation of the oligomeric state of DcuS. The results showed that detergent-solubilised His6-DcuS was mainly monomeric and demonstrated the presence of tetrameric DcuS in proteoliposomes and in bacterial membranes.rnThe sensor histidine kinase CitA is part of the two-component system CitAB of E. coli, which is structurally related to DcuSR. CitAB regulates gene expression of citrate fermentation in response to external citrate. The sensor kinases DcuS and CitA were fused with an enhanced variant of the yellow fluorescent protein (YFP) and expressed in E. coli under the control of an arabinose-inducible promoter. The subcellular localisation of DcuS-YFP and CitA-YFP within the cell membrane was studied by means of confocal laser fluorescence microscopy. Both fusion proteins were found to accumulate at the cell poles. The polar accumulation was slightly increased in the presence of the stimulus fumarate or citrate, respectively, but independent of the expression level of the fusion proteins. Cell fractionation demonstrated that polar accumulation was not related to inclusion bodies formation. The degree of polar localisation of DcuS-YFP was similar to that of the well-characterised methyl-accepting chemotaxis proteins (MCPs), but independent of their presence. To enable further investigations on the function of the polar localisation of DcuS under physiological conditions, the sensor kinase was genetically fused to the flavin-based fluorescent protein Bs2 which shows fluorescence under aerobic and anaerobic conditions. The resulting dcuS-bs2 gene fusion was inserted into the chromosome of various E. coli strains.rnFurthermore, a protein-protein interaction between the related sensor histidine kinases DcuS and CitA, regulating common metabolic pathways, was detected via expression studies under anaerobic conditions in the presence of citrate and by in vivo FRET measurements.