导读


光纤,一般是用于信息通信。但是,你可能想不到,它还可以作为传感器,快速监测桥梁和水坝等建筑的结构性问题。最近,瑞士和西班牙的科研人员开发出一条长达10千米的分布式光纤传感器系统,能感知100万个点的温度变化或者应变。

关键字

光纤、传感器

背景

光纤,简单的说,一般由玻璃或者塑料制成的纤维,能够传导光,一般用于长距离的光通信系统。


为了让大家有一个直观的认识,通过下面两张图展示一下光纤电缆:


(图片来源于:维基百科)


(图片来源于:维基百科)

光纤用于光传输和信息通信,已经十分广泛,且它特别是适合长距离通信,但是除此之外,光纤还有另外一种用途:传感器


为什么说光纤会具有传感功能呢?


原因很简单,首先光纤是一种光波的传输介质,光波在光纤中传输时,由于外界因素(温度、压力、应变、振动、声音、磁场等)的影响,光波的光学特性(振幅、相位、偏振态、波长等)会发生相应的变化。这样,光纤就可以作为传感器,衡量和探测各种外界变化。


例如,John 之前介绍过一项日本的健康新科技,它利用空心光纤,传导和分析呼吸气体,监测人体健康。


(图片来源于:东北大学)

创新

那么今天,John 就要再给大家介绍一个有关光纤传感器的创新技术。


这是一种分布式的光纤传感器系统,它能够感知长达10千米、感知点达100万个、密度达1厘米1个点的温度变化和应变情况。


所谓应变,是指在外力和非均匀温度场等因素作用下物体局部的相对变形,表明有多少外界的力学应力作用于物体或者结构上。


这种监测是持续且快速的,采集数据的时间小于20分钟。另外,更感知点众多,也意味着用于检测整个结构的光纤单元更少,简化了系统,也降低了成本。


这项技术由来自西班牙阿尔卡拉大学和瑞士联邦理工学院的研究人员联合开发,主要研究人员有Alejandro
Dominguez-Lopez 等人,这项研究的论文发表于美国光学会(OSA)杂志《光学快报》。


技术

接下来,从技术的角度观察一下这项技术。首先看一下,我们简单了解科研人员用到的实验装置的组成示意图:

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(图片来源于:参考资料【2】)


为了便于看懂这张图,简单说明一下其中涉及的器件:激光二极管(LD)、电光调制器(EOM)、任意波形产生器(AWG)、掺铒光纤放大器 (EDFA)、可变光衰减器(VOA)、偏振态综合仪(P.Synth)、电气开关(ES)、偏振开关(PS)、FUT(测试光纤)。

然后,再介绍一个十分重要的物理概念即:布里渊散射


布里渊散射是法国物理学家和数学家布里渊于1922年提出的,它用于研究气体,液体和固体中的声学振动,但作为一种实用的研究手段,是在激光出现以后才发展起来的。


光波在光纤中,大部分是前向传播的,但由于光纤的非结晶材料在微观空间存在不均匀结构,有一小部分光会发生散射,其中有一种散射形式就是布里渊散射,它是光波与声波在光纤中传播时相互作用而产生的光散射过程,在不同的条件下,布里渊散射又分别以自发散射和受激散射两种形式表现出来。

这种新型传感器主要利用了布里渊光时域分析技术,而这项技术正是基于布里渊散射。它需要脉冲式的、连续波的激光信号进行交互。


而研究人员发现传统的方法,虽然也可以产生连续的信号,但是在较高的激光功率时,会引起系统中的畸变。


如果要避免这个问题,那么就需要改变激光信号的生成方式,让它们可以增加激光功率,从而提升系统性能。


对此,Dominguez-Lopez 说:

“我们研究了这种影响布里渊光时域传感器商用性能的有害效应,进行了纠正。如果制造商将我们的优化集成到他们的传感器中,将显著提升其性能,特别是采集速度。”

 应用


(图片来源于:Duncan RawlinsonAlejandro Dominguez-Lopez


首先,这种光纤分布式传感器可用于建筑物监控,例如监测桥梁的结构,输油管道的泄露,铁路的滑坡等等。这项技术的最大优势在于,它不仅可用于严酷的环境中,而且传感器自身无需外部供电,所以可用于缺少能源供应的地方。


传感器的开发者 Alejandro
Dominguez-Lopez 这么评价:


“基于光纤的传感器,能够监测水坝垮塌之前,监测到它侵蚀或开裂的情况。较早的检测问题,意味着可以防止情况变得更糟,或者提供更多时间用于疏散。”


另外,由于感知点的密度极高,达1厘米1个,所以这种传感器也可以用于航空航天,例如感知飞机机翼每英寸的状况。

研究人员正在寻找方法,让传感器的数据采集速度更快,从而减少采集时间。他们也在考虑增加感知点的密度,使其超过原有的每1厘米1个的密度。


这样,它就有望应用于生物医疗领域。例如,利用光纤传感器检测乳腺癌的温度变化,对于这种类型的应用,重要的是,在更小的区域具有更多的感知点,而不是光纤的长度。

同时,这种光纤传感器还可以用于可穿戴设备和智能织物,帮助检测人类的健康状况,或者用于疾病判断等方面。

参考资料


【1】http://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2017/new_fiber-based_sensor_could_quickly_detect_struct/

【2】A. Dominguez-Lopez, M.A. Soto, S. Martin-Lopez, L. Thevenaz, M. Gonzalez-Herraez “Resolving 1 million sensing points in an optimized differential time-domain Brillouin sensor,” Opt. Lett., Volume 42, Issue 10, 1903-1906 (2017).DOI: 10.1364/OL.42.001903.


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新型分布式光纤传感器:可快速检测桥梁结构问题!
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