華盛頓大學(xué)研究人員開發(fā)出微型無線光子傳感器

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期圣路易斯華盛頓大學(xué)的研究人員開發(fā)出了一種可以記錄環(huán)境數(shù)據(jù)的微型無線光子傳感器。

早在2017年春季，光子傳感器就應(yīng)用在如下兩種場景中并記錄數(shù)據(jù)：

一、超過12小時的空氣溫度實(shí)時測量；

二、安裝在圣路易斯城市公園的（St. Louis city park）無人機(jī)上進(jìn)行溫度分布的航測。為了進(jìn)一步地比較，研究人員還將該傳感器與帶有藍(lán)牙連接的商用溫度計相對比，發(fā)現(xiàn)兩者的測量結(jié)果非常接近。

身材迷你且靈敏度卓越

在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）世界中，存在著大量基于電子設(shè)備的空間分布式無線傳感器。然而，低空飛行的飛機(jī)或廚房研磨機(jī)等造成的干擾音頻或視覺信號，會對無線電產(chǎn)生不必要的噪聲，這些電磁干擾通常會妨礙這些器件運(yùn)行。

“光學(xué)傳感器不受電磁干擾，面對惡劣環(huán)境更是優(yōu)勢顯著。”圣路易斯華盛頓大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院電氣與系統(tǒng)工程學(xué)教授Lan Yang說。“基于諧振器的光學(xué)傳感器具有尺寸小、靈敏度高及其他一系列優(yōu)勢，為無線傳感器賦予了更高的功能性和靈活性。”Yang說，“我們的工作可以為在互聯(lián)網(wǎng)上大規(guī)模應(yīng)用的WGM（Whispering-gallery mode，回音壁模式）傳感器鋪平道路。”WGM之所以如此命名，是因?yàn)榕c倫敦圣保羅大教堂低語畫廊的原理一樣，穹頂一側(cè)的人可以聽到另一側(cè)人們通過墻體發(fā)出的信息。

Yang和她的合作伙伴最近表示，與在可聽范圍內(nèi)產(chǎn)生共振或最佳位置的穹頂不同，傳感器是在光頻、振動或機(jī)械頻率下產(chǎn)生共振的?！芭c現(xiàn)有桌面大小的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備相比，WGM傳感器的主板僅為127mm × 67mm大小，約為5英寸 × 2.5英寸，集成了傳感器系統(tǒng)的整個架構(gòu)。”Yang的實(shí)驗(yàn)室研究生Xiangyi Xu說道。“該傳感器由玻璃制成，只有一根頭發(fā)大小，通過單根光纖連接到主板。”Xu說，“激光可用于探測WGM傳感器。從傳感器耦合的光被傳輸?shù)骄哂?a href="http://www.ttokpm.com/tags/放大器/" target="_blank">放大器的光電探測器上。處理器可控制外圍設(shè)備，如激光電流驅(qū)動、監(jiān)控電路、熱電冷卻器和Wi-Fi設(shè)備等。”這款WGM傳感器中，光通過恒定的內(nèi)部反射沿著環(huán)形結(jié)構(gòu)邊緣傳播。在環(huán)形邊緣內(nèi)，光可旋轉(zhuǎn)100萬次。越過該環(huán)形邊緣，光波可以檢測環(huán)境變化，例如溫度和濕度變化。定制的操作系統(tǒng)應(yīng)用程序能控制遠(yuǎn)程系統(tǒng)并收集和分析監(jiān)控傳感器節(jié)點(diǎn)提供的信號。

光子傳感器的優(yōu)勢

無線傳感器，無論是電子傳感器還是光子傳感器（基于光學(xué)原理），都可以監(jiān)測諸如濕度、溫度、氣壓等環(huán)境因素變化。無線傳感器的應(yīng)用包括環(huán)境和衛(wèi)生保健監(jiān)測、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)操作以及智慧城市的數(shù)據(jù)收集等。智慧城市是通過互聯(lián)網(wǎng)收集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)城市互聯(lián)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)通過使用數(shù)字化地理信息系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)操作，例如土壤測繪可以精確地把握肥料和農(nóng)藥的使用以及種子的選擇，實(shí)現(xiàn)更高效率和收益。現(xiàn)在，Yang及其同事需要解決定制操作系統(tǒng)應(yīng)用程序處理的穩(wěn)定性，以及龐大的實(shí)驗(yàn)室測量系統(tǒng)的微型化問題。

“我們開發(fā)了一款智能手機(jī)應(yīng)用程序，通過WiFi控制感應(yīng)系統(tǒng)。”楊說，“通過將傳感器系統(tǒng)連接到互聯(lián)網(wǎng)，我們可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的實(shí)時遠(yuǎn)程控制?！?017年6月，Yang和她的團(tuán)隊(duì)將其開發(fā)的新系統(tǒng)安裝在建筑物的外墻上，收集數(shù)據(jù)并制成了共振頻移圖。他們將獲取的數(shù)據(jù)與商用溫度計進(jìn)行了比較?！坝捎诔叽缧。瑹o線光子傳感器的功能和靈活性可以通過實(shí)時移動來改善。”Yang說。研究人員在2017年5月還將他們的系統(tǒng)與商用溫度計一起安裝在無人機(jī)上。當(dāng)無人機(jī)從一個測量位置飛到另一個測量位置時，WGM的共振頻率會隨著溫度變化而移動?！斑@些測量結(jié)果與商用溫度計的結(jié)果非常吻合?！彼f，“此次成功的演示展示了我們的無線WGM傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的潛在應(yīng)用。WGM技術(shù)還有更多具有發(fā)展前景的傳感應(yīng)用，包括磁場、聲學(xué)、環(huán)境和醫(yī)療傳感領(lǐng)域等。”

“諧振器傳感系統(tǒng)的微型化對物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域來說是一個振奮人心的機(jī)會，因?yàn)樗鼘⒁I(lǐng)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)出具有空前靈敏度和性能的新型光子傳感器?！庇嬎銠C(jī)科學(xué)與工程系教授，Chengyang Lu說。