自然災(zāi)害的預(yù)言家！光纖傳感技術(shù)讓祖國(guó)河川有“感”

我國(guó)擁有世界最多的公路橋梁（78萬(wàn)座），最多的鐵路橋梁（7萬(wàn)座），世界最長(zhǎng)的公路（13萬(wàn)公里）以及超過(guò)12萬(wàn)公里的油氣管道。

然而，大型基礎(chǔ)設(shè)施在長(zhǎng)期服役過(guò)程中，由于長(zhǎng)期受到外力和環(huán)境侵蝕，極有可能發(fā)生災(zāi)害，從而造成嚴(yán)重的安全事故和經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)，我國(guó)是世界上地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)國(guó)家之一，地質(zhì)災(zāi)害種類(lèi)多、面積廣、活動(dòng)頻次高、危害程度大。

例如，2015年12月20日，深圳市發(fā)生渣土堆山滑坡事故，導(dǎo)致74人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失近10億元人民幣。

如何能讓山河有情？首先我們得讓它有“感”才行！

讓祖國(guó)河川有“感”，即在發(fā)生自然災(zāi)害之前，提前預(yù)警，避免受到不必要的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

目前，讓祖國(guó)河川有“感”的方式一般都是在上面安裝傳感器，為了達(dá)到有“感”的目的，要求所用傳感器必須滿(mǎn)足成本低廉、耐腐蝕、抗電磁干擾能力強(qiáng)、靈敏度高等諸多優(yōu)點(diǎn)。

在這個(gè)人與自然產(chǎn)生矛盾的時(shí)候，光纖傳感技術(shù)挺身而出，使“盤(pán)古”當(dāng)年留下的“笨重”身軀，重新靈動(dòng)得了起來(lái)。

光纖傳感技術(shù)

光纖傳感技術(shù)始于1977年，目前，世界上已有光纖傳感技術(shù)上百種，諸如溫度、壓力、流量、位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、彎曲、液位、速度、加速度、聲場(chǎng)、電流、電壓、磁場(chǎng)及輻射等物理量都實(shí)現(xiàn)了不同性能的傳感。

光纖傳感技術(shù)伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)，是衡量一個(gè)國(guó)家信息化程度的重要標(biāo)志，已廣泛用于軍事、國(guó)防、航天航空、工礦企業(yè)、能源環(huán)保、工業(yè)控制、醫(yī)藥衛(wèi)生、計(jì)量測(cè)試、建筑、家用電器等領(lǐng)域。

在光纖傳感使用中，外界災(zāi)難造成的攪擾或影響傳到光纖，使得光纖中傳輸?shù)墓獾挠行┨匦噪S之發(fā)作改動(dòng)，經(jīng)過(guò)裝備專(zhuān)用的感測(cè)外表設(shè)備，就能監(jiān)測(cè)出使光的特性發(fā)生改變的干擾。經(jīng)過(guò)光的干涉現(xiàn)象，使得許多災(zāi)難狀況的測(cè)量成為可能。

正在“服役”的光纖“健將”

地下的“諦聽(tīng)”

光纖管道安全防護(hù)體系：光纖管道安全防護(hù)體系由微應(yīng)變/定位器，包含激光收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)處置板和專(zhuān)用定位信號(hào)處置板等專(zhuān)門(mén)設(shè)備和專(zhuān)利技能組成。在與管道同溝布埋的單模光纖中傳輸時(shí)，會(huì)受到沿著光纜鄰近的各種振蕩、位移、應(yīng)力應(yīng)變的影響。光纖管道安全防護(hù)體系當(dāng)前正在全世界逐漸得到廣泛使用。主要包含：輸油泵站和管道的安防預(yù)警體系、管道安全防護(hù)體系、管道安全防護(hù)體系、管道安全防護(hù)體系、輸油管道的安全防護(hù)體系。

空中的“美麗陀螺”

光纖陀螺：它是一種用于慣性導(dǎo)航的光纖傳感器。因其無(wú)活動(dòng)部件——高速轉(zhuǎn)子，稱(chēng)為固態(tài)陀螺儀。這種新型全固態(tài)的陀螺儀將成為未來(lái)的主導(dǎo)產(chǎn)品，具有廣泛的發(fā)展前途和應(yīng)用前景。

光纖陀螺的工作原理是基于薩格納克（Sagnac）效應(yīng)。薩格納克效應(yīng)是相對(duì)慣性空間轉(zhuǎn)動(dòng)的閉環(huán)光路中所傳播光的一種普遍的相關(guān)效應(yīng)，即在同一閉合光路中從同一光源發(fā)出的兩束特征相等的光，以相反的方向進(jìn)行傳播，最后匯合到同一探測(cè)點(diǎn)。

若繞垂直于閉合光路所在平面的軸線，相對(duì)慣性空間存在著轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，則正、反方向傳播的光束走過(guò)的光程不同，就產(chǎn)生光程差，其光程差與旋轉(zhuǎn)的角速度成正比。因而只要知道了光程差及與之相應(yīng)的相位差的信息，即可得到旋轉(zhuǎn)角速度。

光纖陀螺成本低、維護(hù)簡(jiǎn)便，正在許多已有系統(tǒng)上替代機(jī)械陀螺，從而大幅度提高系統(tǒng)的性能、降低和維護(hù)系統(tǒng)成本。現(xiàn)在，光纖陀螺已充分發(fā)揮了其質(zhì)量輕、體積小、成本低、精度高、可靠性高等優(yōu)勢(shì)，逐步替代其他類(lèi)型的陀螺。

海中的“望遠(yuǎn)鏡”

光纖水聽(tīng)器是一種建立在光纖、光電子技術(shù)基礎(chǔ)上的水下聲信號(hào)傳感器。它通過(guò)高靈敏度的光學(xué)相干檢測(cè)，將水聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，通過(guò)光纖傳至信號(hào)處理系統(tǒng)提取聲的信號(hào)信息，具有靈敏度高、頻響特性好等特點(diǎn)。由于采用光纖作為信息載體，適宜遠(yuǎn)距離大范圍監(jiān)測(cè)。

光纖水聽(tīng)器的概念是1977年由美國(guó)提出的，現(xiàn)在美國(guó)、日本在該領(lǐng)域仍處世界領(lǐng)先地位，目前我國(guó)石油勘探和海洋地質(zhì)調(diào)查仍在使用壓電式水聽(tīng)器。預(yù)測(cè)未來(lái)十年光纖水聽(tīng)器的市場(chǎng)需求將超過(guò)300億元！前景廣闊！（此段來(lái)源于中國(guó)船舶報(bào)）

光纖水聽(tīng)器的原理圖

除了在海中，空中和地下光纖傳感也被用于山體滑坡和路基橋梁之中，可謂哪里有“難”就去哪里感知！

分布式光纖傳感器具有重量輕、抗惡劣環(huán)境、抗電磁干擾、在傳感點(diǎn)無(wú)需用電這些光纖傳感器所共有的優(yōu)點(diǎn)，此外，它可實(shí)現(xiàn)多達(dá)百萬(wàn)個(gè)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)和長(zhǎng)達(dá)上百公里的超長(zhǎng)距離分布式測(cè)量。

分布式光纖傳感器的原理圖

應(yīng)用領(lǐng)域包括：石油天然氣管道和存儲(chǔ)罐的溫度和變形監(jiān)測(cè)，海底或陸地高壓電纜/光纜的溫度和應(yīng)變監(jiān)測(cè)，地質(zhì)災(zāi)害（比如山體滑坡、泥石流等）的分布式監(jiān)測(cè)，橋梁、大壩和隧道等大型建筑物的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，飛行器和航天器的飛行狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及火災(zāi)報(bào)警等。

這些表面上看上去柔弱的光纖，正在為國(guó)家、國(guó)民的安全生活保駕護(hù)航并日趨成熟！

看了以上介紹，睡覺(jué)是不是可以更加安穩(wěn)了?


來(lái)源：中國(guó)科普博覽
出品：科普中國(guó)
制作：中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所王苻歡
監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心