作者:王敏 来源:中国科学报 发布时间:2022/2/25 21:00:07
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实时测温 “冰立方”用上光纤温度计

冬奥会不仅是运动员在赛场上的竞争,也是最新科技成果的“大比拼”。

冬奥会举行期间,由中国科学技术大学陈旸教授、赵东锋教授团队、王宝善教授团队自主研制的高精度光纤温度监测系统,全程参与冰壶赛事保障,以科技服务于冬奥会。

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自主研制的分布式光纤传感温度监测仪 代蕊 摄

全空间实时测温  精确度达0.1摄氏度

冰雪温度对冬奥赛事至关重要。“冰立方”是冬奥会历史上体量最大的冰壶场馆,也是世界上唯一在泳池上架设冰壶赛道的“双奥”场馆,它实现了水冰之间自由转换。

“冰壶场馆对温度的要求极高,整个冰体的温度差异要控制在0.5摄氏度内。” 中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心特任副研究员张强介绍,而场馆湿度、空气温度、场馆形状,以及运动员比赛过程中摩擦产生的热量,都会导致冰体温度发生变化。“这时,全空间实时监测冰体温度,提供科学数据,对于保障赛事举行至关重要。”

传统测温手段主要采用电学温度计和红外测温仪,但这些测温方式往往是单点测量,无法全面及时反映温度在空间上的分布以及随时间的变化。“像红外测温仪一般只能在赛前或赛后对赛道进行测温。”张强说。

分布式光纤温度传感(DTS)系统很好地解决了这一难题。在冬奥会开幕前,中国科学技术大学研究团队在冰壶赛场冰面下方铺设约200米通讯光纤,这相当于布设了500个传统温度计,并部署2套分布式光纤温度传感设备,对赛道的冰体温度进行空间和时间上的连续监测,及时了解冰体温度的微小变化,精确度可达0.1摄氏度。

监测结果表明,冰壶比赛场地冰体温度(冰面下5厘米)较为稳定(在零下9摄氏度至零下10摄氏度之间),场地的不同区域温度存在微弱差异(约0.2摄氏度),比赛后冰体温度略有升高(不超过0.8摄氏度)。系统监测数据实时推送至“冰立方”场馆环境监控系统,全程保障冬奥会冰壶赛事的顺利进行。

通信光纤变“神经”   感知温度与振动

近些年来,中国科学技术大学研究团队一直致力于光纤传感应用领域的研究。2021年8月,研究团队研制出具有自主知识产权的分布式光纤声波/振动传感(DAS)系统,利用现有通讯光缆进行地震监测和地下空间探测等工作。这一研究成果得到中国地震局的认可。

2021年9月,在接到冬奥会任务后,研究团队与中国地震局地震预测研究所密切合作,组建联合攻关团队,研发分布式光纤温度监测系统,应用于冬奥会冰雪温度监测。针对冰壶场馆对冰雪温度全空间实时监测的需求,研究团队对专用激光光源系统、高精度信号解调算法、高速数据处理系统等关键技术进行攻关,研制了具有自主知识产权的分布式光纤温度传感系统。

提及该系统的技术原理,张强作了一个形象的比喻,“蝙蝠作为夜间活动的动物,飞行时会发出超声波,超声波在接触到物体之后反射回来,蝙蝠听到声音后大脑会及时做出处理。分布式光纤温度传感系统的原理与之类似,同样属于回波探测和感知,但利用的是在光纤中传播的光波。”

激光在光纤中有三种散射,即瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射。瑞利散射对振动极其敏感,可以用来测量振动。而拉曼散射对温度极其敏感,可以用来测量温度。“分布式光纤温度传感系统就是利用拉曼散射,光波在被散射后频率会发生变化,通过设备主机解调这种光就能测温,将遍布地下的通信光纤变身感知环境的神经。”张强作了进一步解释。

为了确保设备在冬奥会更好地应用,研究团队在中国地震局大院内铺设光缆,进行了连续两个月的系统性能测试。最终经过测试,系统显示出超强的稳定性。

“这次可以服务于冬奥会,展示大学科技力量的风采,是一件非常值得高兴的事。”中国科学技术大学未来技术学院副院长陈旸教授介绍,分布式光纤传感系统具备广泛的应用前景,比如可以监测温度、振动,在激光自然资源的普查与调查、实现碳达峰碳中和等方面做出贡献。此外,它还可以应用于自然灾害的预防和监测,进一步降低自然灾害造成的损失。下一步,研究团队将继续攻关分布式光纤传感系统建设,更好地服务于国家和社会的发展。

 
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