晶体光纤振动传感器可以提高列车运行安全性

联网的加速度计可以监控列车是否存在可能导致脱轨的振动，但是目前的加速器存在灵敏度或屏蔽问题。香港理工大学的一个研究小组开发了一种采用光子晶体光纤微型加速度计，其在较宽的频率范围内表现出比旧设计更高的灵敏度（Opt.Express，doi：10.1364 / OE.27.021597）。

构建加速度计

该研究小组的加速度计采用Sagnac干涉仪，其中反向传播的光束通过环形或螺旋形路径。干涉仪的移动将相移引入到器件的干涉条纹中。在这种情况下，科学家们用市售的保偏光子晶体光纤（PM-PCF）制造了干涉仪，弯曲成直径为15毫米的螺旋形，并与单模光纤耦合，用于输入和输出。钢基板支撑该装置，该装置安装在圆柱形质量块上，该质量块将来自车辆的振动传递到光纤。

研究人员在实验室和铁路火车上，对其他两种类型的加速度计测试了他们的设备：需要电磁屏蔽的压电模型，以及基于光纤布拉格光栅的设备，它不能检测频率大于500 Hz的振动。（轨道磨损——铁路事故的重要原因——通常会产生高于此的振动频率。）PM-PCF仪器基于光栅的设备由于其低谐振频率而拾取了大量噪声。

在加速度计中，当发生振动时，质量块以与振动相匹配的频率按压环绕的光子晶体光纤，导致光纤中的光波长以可测量的方式移动。 [图片：香港理工大学]

稳定信号

香港理工大学光子学研究中心的高级研究员，首席研究员Zhengyong Liu表示，在铁路列车上安装加速度计后，稳定传感信号是该团队面临的最大挑战。研究人员了解到，用于检测振动的光学信号可能会因在火车上运输和安装过程中装置的不正确运动而发生变化。为了克服这个问题，Liu的团队使用强力环氧树脂粘合所有组件，包括PM-PCF。 “在加速度计的制造过程中，”Liu解释说，“我们还提出了一种方法，将PM-PCF的一个偏振轴保持在一个平面上，这样加速度计的感应信号就可以减少极化串扰。”

使用基于（从上到下）的加速度计测量的加速度：光纤布拉格光栅，偏振保持光子晶体光纤和压电技术。 [图片：香港理工大学]

未来的更新

未来，Liu和他的团队将用他们在自己的实验室制造的更高灵敏度的光纤取代商用光子晶体光纤，然后用升级的加速度计重复现场测试。研究人员还必须在开始大规模生产设备之前验证制造技术的可重复性。

该团队还希望在单股传输光纤中安装多个加速度计。 Liu表示，由于光纤的长距离复用能力，基于光纤的加速度计被认为优于压电加速度计。在该小组的前瞻性研究调查中，他们打算有效地对传感信号进行多路复用和解复用，以便在光纤传感系统中同时使用多个加速度计。最后，由于传感系统具有多个基于光纤的加速度计将获得数百万的数据点，该大学正在开发人工智能技术来处理信息。