自然災害的預言家！光纖傳感技術讓祖國河川有“感”

我國擁有世界最多的公路橋梁（78萬座），最多的鐵路橋梁（7萬座），世界最長的公路（13萬公里）以及超過12萬公里的油氣管道。

然而，大型基礎設施在長期服役過程中，由于長期受到外力和環境侵蝕，極有可能發生災害，從而造成嚴重的安全事故和經濟損失。同時，我國是世界上地質災害多發國家之一，地質災害種類多、面積廣、活動頻次高、危害程度大。

例如，2015年12月20日，深圳市發生渣土堆山滑坡事故，導致74人死亡，直接經濟損失近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！

讓祖國河川有“感”，即在發生自然災害之前，提前預警，避免受到不必要的人員傷亡和財產損失。

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

在這個人與自然產生矛盾的時候，光纖傳感技術挺身而出，使“盤古”當年留下的“笨重”身軀，重新靈動得了起來。

光纖傳感技術

光纖傳感技術始于1977年，目前，世界上已有光纖傳感技術上百種，諸如溫度、壓力、流量、位移、振動、轉動、彎曲、液位、速度、加速度、聲場、電流、電壓、磁場及輻射等物理量都實現了不同性能的傳感。

光纖傳感技術伴隨光纖通信技術的發展而迅速發展起來，是衡量一個國家信息化程度的重要標志，已廣泛用于軍事、國防、航天航空、工礦企業、能源環保、工業控制、醫藥衛生、計量測試、建筑、家用電器等領域。

在光纖傳感使用中，外界災難造成的攪擾或影響傳到光纖，使得光纖中傳輸的光的有些特性隨之發作改動，經過裝備專用的感測外表設備，就能監測出使光的特性發生改變的干擾。經過光的干涉現象，使得許多災難狀況的測量成為可能。

正在“服役”的光纖“健將”

地下的“諦聽”

光纖管道安全防護體系：光纖管道安全防護體系由微應變/定位器，包含激光收發模塊、數據處置板和專用定位信號處置板等專門設備和專利技能組成。在與管道同溝布埋的單模光纖中傳輸時，會受到沿著光纜鄰近的各種振蕩、位移、應力應變的影響。光纖管道安全防護體系當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警體系、管道安全防護體系、管道安全防護體系、管道安全防護體系、輸油管道的安全防護體系。

空中的“美麗陀螺”

光纖陀螺：它是一種用于慣性導航的光纖傳感器。因其無活動部件——高速轉子，稱為固態陀螺儀。這種新型全固態的陀螺儀將成為未來的主導產品，具有廣泛的發展前途和應用前景。

光纖陀螺的工作原理是基于薩格納克（Sagnac）效應。薩格納克效應是相對慣性空間轉動的閉環光路中所傳播光的一種普遍的相關效應，即在同一閉合光路中從同一光源發出的兩束特征相等的光，以相反的方向進行傳播，最后匯合到同一探測點。

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

光纖陀螺成本低、維護簡便，正在許多已有系統上替代機械陀螺，從而大幅度提高系統的性能、降低和維護系統成本。現在，光纖陀螺已充分發揮了其質量輕、體積小、成本低、精度高、可靠性高等優勢，逐步替代其他類型的陀螺。

海中的“望遠鏡”

光纖水聽器是一種建立在光纖、光電子技術基礎上的水下聲信號傳感器。它通過高靈敏度的光學相干檢測，將水聲振動轉換成光信號，通過光纖傳至信號處理系統提取聲的信號信息，具有靈敏度高、頻響特性好等特點。由于采用光纖作為信息載體，適宜遠距離大范圍監測。

光纖水聽器的概念是1977年由美國提出的，現在美國、日本在該領域仍處世界領先地位，目前我國石油勘探和海洋地質調查仍在使用壓電式水聽器。預測未來十年光纖水聽器的市場需求將超過300億元！前景廣闊！（此段來源于中國船舶報）

光纖水聽器的原理圖

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、抗惡劣環境、抗電磁干擾、在傳感點無需用電這些光纖傳感器所共有的優點，此外，它可實現多達百萬個監測測點和長達上百公里的超長距離分布式測量。

分布式光纖傳感器的原理圖

應用領域包括：石油天然氣管道和存儲罐的溫度和變形監測，海底或陸地高壓電纜/光纜的溫度和應變監測，地質災害（比如山體滑坡、泥石流等）的分布式監測，橋梁、大壩和隧道等大型建筑物的結構健康監測，飛行器和航天器的飛行狀態監測以及火災報警等。

這些表面上看上去柔弱的光纖，正在為國家、國民的安全生活保駕護航并日趨成熟！

看了以上介紹，睡覺是不是可以更加安穩了?


來源：中國科普博覽
出品：科普中國
制作：中國科學院半導體研究所王苻歡
監制：中國科學院計算機網絡信息中心