华盛顿大学研究人员开发出微型无线光子传感器

据麦姆斯咨询报道，近期圣路易斯华盛顿大学的研究人员开发出了一种可以记录环境数据的微型无线光子传感器。

早在2017年春季，光子传感器就应用在如下两种场景中并记录数据：

一、超过12小时的空气温度实时测量；

二、安装在圣路易斯城市公园的（St. Louis city park）无人机上进行温度分布的航测。为了进一步地比较，研究人员还将该传感器与带有蓝牙连接的商用温度计相对比，发现两者的测量结果非常接近。

身材迷你且灵敏度卓越

在物联网（IoT）世界中，存在着大量基于电子设备的空间分布式无线传感器。然而，低空飞行的飞机或厨房研磨机等造成的干扰音频或视觉信号，会对无线电产生不必要的噪声，这些电磁干扰通常会妨碍这些器件运行。

“光学传感器不受电磁干扰，面对恶劣环境更是优势显著。”圣路易斯华盛顿大学工程与应用科学学院电气与系统工程学教授Lan Yang说。“基于谐振器的光学传感器具有尺寸小、灵敏度高及其他一系列优势，为无线传感器赋予了更高的功能性和灵活性。”Yang说，“我们的工作可以为在互联网上大规模应用的WGM（Whispering-gallery mode，回音壁模式）传感器铺平道路。”WGM之所以如此命名，是因为与伦敦圣保罗大教堂低语画廊的原理一样，穹顶一侧的人可以听到另一侧人们通过墙体发出的信息。

Yang和她的合作伙伴最近表示，与在可听范围内产生共振或最佳位置的穹顶不同，传感器是在光频、振动或机械频率下产生共振的。“与现有桌面大小的实验室设备相比，WGM传感器的主板仅为127mm × 67mm大小，约为5英寸 × 2.5英寸，集成了传感器系统的整个架构。”Yang的实验室研究生Xiangyi Xu说道。“该传感器由玻璃制成，只有一根头发大小，通过单根光纤连接到主板。”Xu说，“激光可用于探测WGM传感器。从传感器耦合的光被传输到具有放大器的光电探测器上。处理器可控制外围设备，如激光电流驱动、监控电路、热电冷却器和Wi-Fi设备等。”这款WGM传感器中，光通过恒定的内部反射沿着环形结构边缘传播。在环形边缘内，光可旋转100万次。越过该环形边缘，光波可以检测环境变化，例如温度和湿度变化。定制的操作系统应用程序能控制远程系统并收集和分析监控传感器节点提供的信号。

光子传感器的优势

无线传感器，无论是电子传感器还是光子传感器（基于光学原理），都可以监测诸如湿度、温度、气压等环境因素变化。无线传感器的应用包括环境和卫生保健监测、精准农业技术操作以及智慧城市的数据收集等。智慧城市是通过互联网收集数据，实现城市互联。精准农业通过使用数字化地理信息系统进行精准农业技术操作，例如土壤测绘可以精确地把握肥料和农药的使用以及种子的选择，实现更高效率和收益。现在，Yang及其同事需要解决定制操作系统应用程序处理的稳定性，以及庞大的实验室测量系统的微型化问题。

“我们开发了一款智能手机应用程序，通过WiFi控制感应系统。”杨说，“通过将传感器系统连接到互联网，我们可以实现对系统的实时远程控制。”2017年6月，Yang和她的团队将其开发的新系统安装在建筑物的外墙上，收集数据并制成了共振频移图。他们将获取的数据与商用温度计进行了比较。“由于尺寸小，无线光子传感器的功能和灵活性可以通过实时移动来改善。”Yang说。研究人员在2017年5月还将他们的系统与商用温度计一起安装在无人机上。当无人机从一个测量位置飞到另一个测量位置时，WGM的共振频率会随着温度变化而移动。“这些测量结果与商用温度计的结果非常吻合。”她说，“此次成功的演示展示了我们的无线WGM传感器在物联网中的潜在应用。WGM技术还有更多具有发展前景的传感应用，包括磁场、声学、环境和医疗传感领域等。”

“谐振器传感系统的微型化对物联网领域来说是一个振奋人心的机会，因为它将引领物联网开发出具有空前灵敏度和性能的新型光子传感器。”计算机科学与工程系教授，Chengyang Lu说。