Ett team av forskare vid Washington University i St. Louis är de första som framgångsrikt registrerar miljödata med hjälp av en trådlös fotonisk sensorresonator med en arkitektur för viskande galleriläge (WGM).
De fotoniska sensorerna registrerade data under våren 2017 under två scenarier:det ena var en realtidsmätning av lufttemperaturen under 12 timmar, och den andra var en flygkartläggning av temperaturfördelningen med en sensor monterad på en drönare i en stadspark i St. Louis. Båda mätningarna åtföljdes av en kommersiell termometer med Bluetooth-anslutning för jämförelseändamål. Uppgifterna från de två jämförde mycket positivt.
I den storslagna världen av "sakernas internet" (IoT), det finns ett stort antal rumsligt fördelade trådlösa sensorer, huvudsakligen baserade på elektronik. Dessa enheter hämmas ofta av elektromagnetiska störningar, som störda ljud- eller visuella signaler orsakade av ett lågt flygande flygplan och en kökskvarn som orsakar oönskat brus på en radio.
Men optiska sensorer är "immuna mot elektromagnetiska störningar och kan ge en betydande fördel i tuffa miljöer, sa Lan Yang, Edwin H. &Florence G. Skinner professor i el- och systemteknik vid School of Engineering &Applied Science, som ledde studien från vilken resultaten publicerades 5 september in Ljus:Vetenskap och tillämpningar .
"Optiska sensorer baserade på resonatorer visar små fotspår, extrem känslighet och ett antal funktioner, som alla ger kapacitet och flexibilitet till trådlösa sensorer, "Yang sa. "Vårt arbete kan bana väg för storskalig tillämpning av WGM-sensorer över hela internet."
Yangs sensor tillhör en kategori som kallas resonatorer för viskande galleriläge, så namngivna för att de fungerar som det berömda viskningsgalleriet i St. Paul's Cathedral i London, där någon på ena sidan av kupolen kan höra ett meddelande som talas till väggen av någon på andra sidan. Till skillnad från kupolen, som har resonanser eller sweet spots i det hörbara området, sensorn resonerar vid ljusfrekvenser och även vid vibrations- eller mekaniska frekvenser, som Yang och hennes medarbetare nyligen visade.
"I motsats till befintlig labbutrustning i bordsstorlek, moderkortet för WGM-sensorn är bara 127 millimeter gånger 67 millimeter – ungefär 5 tum gånger 2,5 tum – och integrerar hela arkitekturen för sensorsystemet, " sa Xiangyi Xu, tidningens första författare och en doktorand i Yangs labb. "Själva sensorn är gjord av glas och är storleken på bara ett människohår; den är ansluten till moderkortet med en enda optisk fiber. Ett laserljus används för att sondera en WGM-sensor. Ljus kopplat ut från sensorn skickas till en fotodetektor med en transmissionsförstärkare. En processor styr kringutrustning som laserströmdrivningen, övervakningskrets, termoelektrisk kylare och Wi-Fi-enhet, " sa Xu.
I hennes WGM, ljus fortplantar sig längs den cirkulära kanten av en struktur genom konstant inre reflektion. Inuti den cirkulära kanten, ljuset roterar 1 miljon gånger. Över det utrymmet, ljusvågor upptäcker miljöförändringar, såsom temperatur och luftfuktighet, till exempel. Sensornoden övervakas av en anpassad operativsystemapp som styr fjärrsystemet och samlar in och analyserar avkänningssignaler.
Trådlösa sensorer, oavsett om det är elektroniskt eller fotoniskt (ljusbaserat), kan övervaka sådana miljöfaktorer som fukt, temperatur och lufttryck. Tillämpningar för trådlösa sensorer omfattar miljö- och hälsoövervakning, precisionsjordbruksmetoder och smarta städers datainsamling, bland andra möjligheter. Smarta städer är uppkopplade städer som drivs av datainsamling på internet. Precisionsjordbruk använder digitaliserade geografiska informationssystem för precisionsjordbruksmetoder som markkartering, som möjliggör exakta gödningsmedel och kemikalietillämpningar och val av fröval för effektivare och lönsammare odling.
Yang och hennes kollegor var tvungna att ta itu med stabilitetsfrågor, som hanterades av den skräddarsydda operativsystemappen de utvecklade, och miniatyrisering av skrymmande laboratoriemätsystem.
"Vi utvecklade en smartphone-app för att styra avkänningssystemet över WiFi, " sa Yang. "Genom att ansluta sensorsystemet till internet, vi kan realisera fjärrstyrning av systemet i realtid."
I juni 2017, Yang och hennes grupp monterade hela systemet på en byggnads yttervägg och samlade ihop en plot av resonansens frekvensskifte. De jämförde sina data med den kommersiella termometern.
"Tack vare deras ringa storlek, kapaciteten och flexibiliteten hos trådlösa fotoniska sensorer kan förbättras genom att göra dem mobila, " sa Yang.
Forskarna monterade också sitt system på en obemannad drönare i maj 2017 vid sidan av den kommersiella termometern. När drönaren flög från en mätplats till en annan, resonansfrekvensen för WGM skiftade som svar på temperaturvariationer.
"Mätningarna stämde väl överens med resultaten från den kommersiella termometern, " sa hon. "De framgångsrika demonstrationerna visar de potentiella tillämpningarna av vår trådlösa WGM-sensor i IoT. Det finns många lovande avkänningsapplikationer möjliga med WGM-teknik, inklusive magnetiska, akustisk, miljömässig och medicinsk avkänning."
Miniatyriseringen av resonatoravkänningssystem representerar en spännande möjlighet för IoT, eftersom det kommer att göra det möjligt för IoT att utnyttja en ny klass av fotoniska sensorer med oöverträffad känslighet och kapacitet, sa Chenyang Lu, Fullgraf-professorn vid institutionen för datavetenskap och teknik och medförfattare till artikeln.
