自然灾害的预言家！光纤传感技术让祖国河川有“感”

我国拥有世界最多的公路桥梁（78万座），最多的铁路桥梁（7万座），世界最长的公路（13万公里）以及超过12万公里的油气管道。

然而，大型基础设施在长期服役过程中，由于长期受到外力和环境侵蚀，极有可能发生灾害，从而造成严重的安全事故和经济损失。同时，我国是世界上地质灾害多发国家之一，地质灾害种类多、面积广、活动频次高、危害程度大。

例如，2015年12月20日，深圳市发生渣土堆山滑坡事故，导致74人死亡，直接经济损失近10亿元人民币。

如何能让山河有情？首先我们得让它有“感”才行！

让祖国河川有“感”，即在发生自然灾害之前，提前预警，避免受到不必要的人员伤亡和财产损失。

目前，让祖国河川有“感”的方式一般都是在上面安装传感器，为了达到有“感”的目的，要求所用传感器必须满足成本低廉、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、灵敏度高等诸多优点。

在这个人与自然产生矛盾的时候，光纤传感技术挺身而出，使“盘古”当年留下的“笨重”身躯，重新灵动得了起来。

光纤传感技术

光纤传感技术始于1977年，目前，世界上已有光纤传感技术上百种，诸如温度、压力、流量、位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及辐射等物理量都实现了不同性能的传感。

光纤传感技术伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来，是衡量一个国家信息化程度的重要标志，已广泛用于军事、国防、航天航空、工矿企业、能源环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域。

在光纤传感使用中，外界灾难造成的搅扰或影响传到光纤，使得光纤中传输的光的有些特性随之发作改动，经过装备专用的感测外表设备，就能监测出使光的特性发生改变的干扰。经过光的干涉现象，使得许多灾难状况的测量成为可能。

正在“服役”的光纤“健将”

地下的“谛听”

光纤管道安全防护体系：光纤管道安全防护体系由微应变/定位器，包含激光收发模块、数据处置板和专用定位信号处置板等专门设备和专利技能组成。在与管道同沟布埋的单模光纤中传输时，会受到沿着光缆邻近的各种振荡、位移、应力应变的影响。光纤管道安全防护体系当前正在全世界逐渐得到广泛使用。主要包含：输油泵站和管道的安防预警体系、管道安全防护体系、管道安全防护体系、管道安全防护体系、输油管道的安全防护体系。

空中的“美丽陀螺”

光纤陀螺：它是一种用于惯性导航的光纤传感器。因其无活动部件——高速转子，称为固态陀螺仪。这种新型全固态的陀螺仪将成为未来的主导产品，具有广泛的发展前途和应用前景。

光纤陀螺的工作原理是基于萨格纳克（Sagnac）效应。萨格纳克效应是相对惯性空间转动的闭环光路中所传播光的一种普遍的相关效应，即在同一闭合光路中从同一光源发出的两束特征相等的光，以相反的方向进行传播，最后汇合到同一探测点。

若绕垂直于闭合光路所在平面的轴线，相对惯性空间存在着转动角速度，则正、反方向传播的光束走过的光程不同，就产生光程差，其光程差与旋转的角速度成正比。因而只要知道了光程差及与之相应的相位差的信息，即可得到旋转角速度。

光纤陀螺成本低、维护简便，正在许多已有系统上替代机械陀螺，从而大幅度提高系统的性能、降低和维护系统成本。现在，光纤陀螺已充分发挥了其质量轻、体积小、成本低、精度高、可靠性高等优势，逐步替代其他类型的陀螺。

海中的“望远镜”

光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器。它通过高灵敏度的光学相干检测，将水声振动转换成光信号，通过光纤传至信号处理系统提取声的信号信息，具有灵敏度高、频响特性好等特点。由于采用光纤作为信息载体，适宜远距离大范围监测。

光纤水听器的概念是1977年由美国提出的，现在美国、日本在该领域仍处世界领先地位，目前我国石油勘探和海洋地质调查仍在使用压电式水听器。预测未来十年光纤水听器的市场需求将超过300亿元！前景广阔！（此段来源于中国船舶报）

光纤水听器的原理图

除了在海中，空中和地下光纤传感也被用于山体滑坡和路基桥梁之中，可谓哪里有“难”就去哪里感知！

分布式光纤传感器具有重量轻、抗恶劣环境、抗电磁干扰、在传感点无需用电这些光纤传感器所共有的优点，此外，它可实现多达百万个监测测点和长达上百公里的超长距离分布式测量。

分布式光纤传感器的原理图

应用领域包括：石油天然气管道和存储罐的温度和变形监测，海底或陆地高压电缆/光缆的温度和应变监测，地质灾害（比如山体滑坡、泥石流等）的分布式监测，桥梁、大坝和隧道等大型建筑物的结构健康监测，飞行器和航天器的飞行状态监测以及火灾报警等。

这些表面上看上去柔弱的光纤，正在为国家、国民的安全生活保驾护航并日趋成熟！

看了以上介绍，睡觉是不是可以更加安稳了?


来源：中国科普博览
出品：科普中国
制作：中国科学院半导体研究所王苻欢
监制：中国科学院计算机网络信息中心