Platforma Eureka zwiększa czułość zwykłych czujników

Napisane przez Seana Ballarda

Czujniki optyczne stanowią podstawę wielu przedsięwzięć naukowych i technologicznych, od wykrywania fal grawitacyjnych po obrazowanie tkanki biologicznej do celów diagnostyki medycznej. Czujniki te wykorzystują światło do wykrywania zmian w charakterystyce monitorowanego środowiska, w tym w biomarkerach chemicznych i właściwościach fizycznych, takich jak temperatura. Ciągłym wyzwaniem w dziedzinie wykrywania optycznego jest zwiększenie czułości umożliwiającej wykrywanie słabych sygnałów wśród szumu.

Nowe badania przeprowadzone przez Lan Yanga, profesora Edwina H. i Florence G. Skinnerów na Wydziale Inżynierii Elektrycznej i Systemów Prestona M. Greena w McKelvey School of Engineering na Washington University w St. Louis, uwalniają niezwykłą moc EP dla zaawansowanych wykrywanie optyczne. W badaniu opublikowanym 5 kwietnia w czasopiśmie Science Advances Yang i pierwszy autor Wenbo Mao, doktorant w laboratorium Yanga, wykazali, że te wyjątkowe EP – specyficzne warunki w systemach, w których mogą wystąpić niezwykłe zjawiska optyczne – mogą zastosować je w konwencjonalnych czujnikach osiągnąć niesamowitą wrażliwość na zakłócenia otoczenia.

Yang i Mao opracowali ulepszoną platformę wykrywania EP, która przezwycięża ograniczenia poprzednich podejść. W przeciwieństwie do tradycyjnych metod, które wymagają modyfikacji samego czujnika, ich innowacyjny system wyposażony jest w sterownik EP, który można podłączyć do fizycznie oddzielnych czujników zewnętrznych. Taka konfiguracja umożliwia regulację EP wyłącznie poprzez regulację sterownika, co pozwala na uzyskanie najwyższej czułości bez konieczności skomplikowanych modyfikacji czujnika.

„Wdrożyliśmy nową platformę, która może przenieść poprawę EP na tradycyjne czujniki optyczne” – powiedział Yang. „Ten system stanowi rewolucyjne rozszerzenie wykrywania wzmocnionego EP, znacznie zwiększając jego zastosowanie i uniwersalność. Każdy czujnik wrażliwy na fazę może uzyskać lepszą czułość i zmniejszony limit detekcji po podłączeniu do tej konfiguracji. Ta konfiguracja EP może się dostosować po prostu poprzez dostosowanie sterownika do różnych scenariuszy wykrywania, takich jak wykrywanie środowiska, monitorowanie stanu zdrowia i obrazowanie biomedyczne.

Oddzielając funkcje wykrywania i sterowania, Yang i Mao z powodzeniem uniknęli rygorystycznych wymagań fizycznych dotyczących obsługi czujników w EP, które dotychczas utrudniały ich powszechne przyjęcie. Toruje drogę do ulepszenia EP w szerokiej gamie konwencjonalnych czujników – w tym rezonatorów pierścieniowych, czujników termicznych i magnetycznych oraz czujników wychwytujących wibracje lub wykrywających zakłócenia w biomarkerach – znacznie poprawiając granicę wykrywalności czujników używanych przez naukowców. Właściwie . Po ustawieniu sterownika na EP czujnik może działać inaczej – nie na EP – i nadal czerpać korzyści z ulepszonego EP.

Aby potwierdzić słuszność koncepcji, zespół Yang przetestował granicę wykrywalności systemu, czyli zdolność do wykrywania słabych zakłóceń spowodowanych szumem systemu. Wykazali sześciokrotne zmniejszenie granicy wykrywalności czujnika przy użyciu ulepszonej konfiguracji EP w porównaniu z konwencjonalnym czujnikiem.

„Dzięki tej pracy pokazaliśmy, że możemy znacznie zwiększyć naszą zdolność wykrywania zakłóceń przy słabych sygnałach” – powiedział Mao. „Obecnie koncentrujemy się na zastosowaniu tej teorii na dużą skalę. Szczególnie skupiam się na zastosowaniach medycznych, zwłaszcza na pracach nad ulepszonym wykrywaniem magnetycznym, które można wykorzystać do ulepszenia technologii MRI. Obecnie MRI wymaga pełnej komory z precyzyjną kontrolą temperatury. ” „Naszą platformę EP można wykorzystać do usprawnienia wykrywania magnetycznego, aby umożliwić przenośne badanie MRI przy łóżku pacjenta”.