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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
2020-01-05 03:00:05   

导读:光纤,一般是用于信息。但是,你可能想不到,它还可以作为,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。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:


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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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?


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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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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为了便于看懂这张图,简单说明一下其中涉及的器件:激光(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。


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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:


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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。


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