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光纖傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用
2015-10-21
五花八門的傳感器，總是給我們意想不到的作用。隨著傳感器的飛躍的發(fā)展，在不同領(lǐng)域都扮演著重要角色。今天我們來說說光纖傳感器在物聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用，相信你會(huì)有收貨。
傳感網(wǎng)絡(luò)是由眾多傳感器節(jié)點(diǎn)組成的有線或無線通信網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)密集分布在所關(guān)注的物或事物的內(nèi)部或周圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)物的連接、感知和監(jiān)控。物聯(lián)網(wǎng)中的傳感網(wǎng)技術(shù)主要包括無線傳感網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)。由于通信網(wǎng)絡(luò)通常要求傳感器長時(shí)間工作在長距離、大溫差、高壓、強(qiáng)磁場(chǎng)或者更加惡劣的自然環(huán)境中，光纖傳感器因其重量輕、靈敏度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸安全等諸多優(yōu)點(diǎn)，既能同時(shí)探測(cè)光波的多種參數(shù)變化又能提高信號(hào)傳輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性，具備無線傳感網(wǎng)不具有的優(yōu)勢(shì)。因此，在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中提出了“光纖物聯(lián)網(wǎng)”，即光纖傳感與通信一體化網(wǎng)絡(luò)。分布式光纖傳感網(wǎng)因傳輸容量大、速度快，使光纖傳感與通信一體化傳輸成為了現(xiàn)實(shí)。
光纖傳感器目前可以直接或間接測(cè)量近百種物理量、化學(xué)量和生物量，主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面：
1、石油工業(yè)
在石油工業(yè)中，通常采用石油測(cè)井技術(shù)測(cè)量井下的溫度、流量以及壓力等物理量，通過對(duì)各物理量的分析實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)井下情況，并對(duì)可能出現(xiàn)的各種問題提前做出預(yù)判。在測(cè)量各物理量時(shí)，需要克服惡劣的環(huán)境因素包括高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕和電磁干擾等。對(duì)于傳統(tǒng)的電子傳感器來說，克服這些因素十分困難或者需要更多額外的成本和技術(shù)投入，而光纖傳感器憑借自身的特點(diǎn)就可以克服這些極端環(huán)境，又因?yàn)楣饫w傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)分布測(cè)量，因此在石油測(cè)井技術(shù)中具有廣闊的應(yīng)用前景。
目前在石油測(cè)井技術(shù)中，可以利用光纖傳感器實(shí)現(xiàn)井下石油流量、溫度、壓力和含水率等物理量的測(cè)量?，F(xiàn)在較成熟的應(yīng)用是采用非本征光纖F—P腔傳感器測(cè)量井下的壓力和溫度。非本征光纖F-P腔傳感器利用光的多光束干涉原理，當(dāng)被測(cè)的溫度或者壓力發(fā)生變化時(shí)干涉條紋改變，光纖F—P腔的腔長也隨之發(fā)生變化，通過計(jì)算腔長的變化實(shí)現(xiàn)溫度和壓力的測(cè)量，工作原理如圖2所示。SLED光源發(fā)出的光耦合到多模光纖中，經(jīng)耦合器和光纖傳給傳感頭，F(xiàn)—P腔置于被測(cè)環(huán)境中，入射到F—P腔的信號(hào)經(jīng)反射后再次通過光纖和耦合器傳給微型光譜儀。計(jì)算機(jī)采集微型光譜儀的光譜經(jīng)干涉解調(diào)計(jì)算出F-P腔的腔長，最后通過標(biāo)定確定其對(duì)應(yīng)的溫度和壓力。
2、電力工業(yè)
在電力系統(tǒng)中，為了能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的各種安全隱患，需要采取有效措施對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的各條線路和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以維持系統(tǒng)的安全運(yùn)行。由于系統(tǒng)通常工作在高電壓、大電流的情況下，還有部分置于高空中，這些因素都為系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)帶來了不便。光纖傳感器因其具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力和較寬的工作頻率可以在電力系統(tǒng)中用于電流、電壓、溫度等參數(shù)的測(cè)量。
目前，用分布式光纖傳感器測(cè)量高壓電力線的溫度已在國外得到廣泛應(yīng)用，在國內(nèi)的研究也已經(jīng)開始。在各種分布式光纖傳感器中，基于布里淵時(shí)域反射(BOTDR)的分布式光纖傳感器是一個(gè)重要的發(fā)展方向。光源LD發(fā)出的光經(jīng)AOM調(diào)制成脈沖信號(hào)后被EDFA放大，放大后的脈沖信號(hào)經(jīng)光纖光柵濾波后耦合剄傳感光纖，光纖的背向瑞利散射和布里淵散射經(jīng)過耦合器輸出到干涉儀，布里淵散射信號(hào)被提取出來后經(jīng)PD監(jiān)測(cè)再被放大器放大后用數(shù)字示波器顯示采集到的波形信號(hào)，最后通過對(duì)波形的分析獲得監(jiān)測(cè)的參數(shù)變化。
由于我國各地環(huán)境差異較大，在不同環(huán)境中光纜的性能也將受到不同程度的改變，而瑞利散射光基本不受外界環(huán)境中溫度和應(yīng)力的影響，這種基于BOTDR的分布式光纖傳感器不能檢測(cè)環(huán)境溫度和應(yīng)力對(duì)光纖性能的影響，因此這種傳感器的應(yīng)用也受到了一定的限制。采用相干檢測(cè)技術(shù)的BOTDR傳感系統(tǒng)測(cè)量的是光纖的自發(fā)布里淵散射信號(hào)，盡管其信號(hào)強(qiáng)度微弱，但可以通過相干檢測(cè)提高系統(tǒng)信噪比，如圖4所示。這種傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，可以同時(shí)監(jiān)測(cè)光纖斷點(diǎn)、損耗、溫度和應(yīng)變等多個(gè)參數(shù)的變化。目前該系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了距離30 km以上、溫度分辨率4℃、應(yīng)變分辨率100μs、空間分辨率20 m的溫度和應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量，在只測(cè)量溫度時(shí)，測(cè)量距離可達(dá)150 km。
3、醫(yī)療系統(tǒng)
在臨床醫(yī)學(xué)上，由于光纖傳感器具有輕巧、柔軟、絕緣、不受電磁干擾、測(cè)量精度高和可以非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)用光纖內(nèi)窺鏡檢查人體的各個(gè)部位，也可用于對(duì)人體血管的探測(cè)和人體外科校正等。目前，光纖內(nèi)窺鏡不僅用于醫(yī)療診斷領(lǐng)域，也用于息肉切除等手術(shù)治療領(lǐng)域，光纖溫度傳感器在癌癥治療方面的研究和應(yīng)用也日漸成熟。
4、軍事安防
在空防領(lǐng)域中，目前已經(jīng)可以采用光纖陀螺構(gòu)成戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的慣性測(cè)量元件，主要測(cè)量導(dǎo)彈運(yùn)行過程中的俯仰角、偏航角和橫滾角，從而準(zhǔn)確命中目標(biāo)。美國首先采用光纖陀螺制導(dǎo)技術(shù)，在伊拉克等戰(zhàn)場(chǎng)上已取得了較好的效果。日本已將光纖陀螺用于無人機(jī)，控制飛機(jī)的姿態(tài)。
在海防領(lǐng)域中，光纖水聽器是研究最早、發(fā)展最快的光纖傳感器，由此構(gòu)成的海防傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已開始用于海上邊防和重要軍事地區(qū)的海防警戒。
近幾年由光纖傳感技術(shù)發(fā)展而來的光纖網(wǎng)絡(luò)安全警戒系統(tǒng)在邊防和重點(diǎn)區(qū)域防衛(wèi)中也得到了應(yīng)用。目前，一些發(fā)達(dá)國家正在使用的安全防衛(wèi)系統(tǒng)就是由激光和分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)組成的。
5、建筑工程
在建筑工程中為確保工程質(zhì)量和建設(shè)過程安全進(jìn)行，通常需要在橋梁、大壩和樓宇的建設(shè)過程中采集多個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，以此來分析當(dāng)前工程的進(jìn)行情況和可能出現(xiàn)的安全隱患。傳統(tǒng)的測(cè)量方法一般采用表面貼片或者預(yù)埋鋼弦式傳感器實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)試，由電阻應(yīng)變片構(gòu)成的貼片材料在混凝土中受基底材料和介質(zhì)腐蝕的影響會(huì)導(dǎo)致測(cè)量精度下降且不利于分布監(jiān)測(cè)和長期監(jiān)測(cè)，鋼弦式傳感器的鋼弦也會(huì)隨時(shí)間的延長而損失測(cè)量精度，所以這些測(cè)試方法都不利于建筑工程的長期、精確觀測(cè)。
光纖傳感器以其輕巧耐用、靈敏度高、抗電磁干擾和可實(shí)現(xiàn)分布式檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，更加適合建筑工程中的應(yīng)力、應(yīng)變檢測(cè)，其中光纖光柵傳感器是最理想的靈敏元件。對(duì)于大型工程來說，目前主要的點(diǎn)式光纖傳感測(cè)量技術(shù)需要在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)安置一個(gè)光纖傳感系統(tǒng)，除造價(jià)高外，對(duì)于問題部位不在傳感點(diǎn)上的情況容易造成疏漏。南京大學(xué)工程管理學(xué)院張旭蘋教授利用物聯(lián)網(wǎng)的概念提出的“基于布里淵效應(yīng)的連續(xù)分布式光纖傳感技術(shù)”添補(bǔ)了這項(xiàng)技術(shù)在國內(nèi)的空白。連續(xù)分布式光纖傳感器可以進(jìn)行連續(xù)的分布式測(cè)量，24小時(shí)監(jiān)測(cè)工程的“健康狀況”，并且可以精確定位隱患位置。
結(jié)束語：傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)采集信息的終端工具，它的發(fā)展直接影響著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，光纖傳感器也將更多的應(yīng)用到社會(huì)生活的各個(gè)角落，如果在光纖傳感技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合的基礎(chǔ)上能夠解決造價(jià)高、集成化和實(shí)用化困難等問題，將具有更加廣闊的應(yīng)用前景。
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