基于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的光纖傳感技術(shù)研究

由麗 河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 劉芳 中國電子科技集團公司第三十四研究所

引言

物聯(lián)網(wǎng)在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上在近年來得到了飛速發(fā)展，作為拓寬互聯(lián)網(wǎng)形成的新型網(wǎng)絡(luò)，運用了大數(shù)據(jù)、云計算技術(shù)實現(xiàn)了信息溝通，所以在目前的現(xiàn)代壞細膩系技術(shù)中起到至關(guān)重要的引導(dǎo)作用。而近些年光纖、光纖通信技術(shù)更是獲得很大進展，光纖傳感技術(shù)隨之運用而生，以其小體積、輕重量、高靈敏、響應(yīng)快、強抗干擾、使用便捷等多方面優(yōu)勢，被廣泛運用于我國的各行業(yè)領(lǐng)域。尤其在物聯(lián)網(wǎng)這一新型網(wǎng)絡(luò)中更是飛速發(fā)展，所以光纖傳感技術(shù)的地位更是不可忽視。本文將對基于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的光纖傳感技術(shù)展開研究，對于該技術(shù)的推廣運用及創(chuàng)新具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

1 光纖傳感器及物聯(lián)網(wǎng)基本原理概述

1.1 光纖傳感器

上世紀70 年代提出了一種新型傳感技術(shù)，即光纖傳感技術(shù)。光在光纖內(nèi)傳播，會受外界壓力、溫度、電磁場或位移、轉(zhuǎn)動等影響作用，產(chǎn)生光反射、吸收或折射效應(yīng)，光學(xué)多普勒、聲、電、磁等效應(yīng)，從而直接或間接的改變光波的相位、振幅、波長、偏振態(tài)，也由此可以視光纖作為敏感元件，用來完成對各種物理量的測量。

光纖傳感器主要包括了光源、傳輸光纖、光電探測器、信號處理部分（見圖1），其原理是經(jīng)光纖將光源的光，送至調(diào)制器也就是傳感頭內(nèi)，讓待測量的物理量參數(shù)能夠作用于進入的光，從而改變光的化學(xué)性質(zhì)，形成被調(diào)制所得的信號光，再經(jīng)光纖向光電探測器內(nèi)送入光信號，轉(zhuǎn)變可得電信號并加以處理后，即可還原所要測量的物理量。目前光纖傳感器有較多種類，包括了傳感型傳感器（功能型）、傳光型傳感器（非功能型）。

圖1 光纖傳感器構(gòu)成

1.2 物聯(lián)網(wǎng)

目前學(xué)術(shù)界對物聯(lián)網(wǎng)的基本概念界定為：經(jīng)紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、射頻識別、激光掃描器多種信息傳感設(shè)備，與有關(guān)規(guī)定結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)與任何物品相聯(lián)，達到的更簡易信息交換通訊，并實現(xiàn)智能化識別、跟蹤、定位、監(jiān)管的新型網(wǎng)絡(luò)。從另一方面來將物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)，無論身處任何時空都可以經(jīng)通信連接人、物品的網(wǎng)絡(luò)。

物聯(lián)網(wǎng)主要包括了感知層、應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層三大體系結(jié)構(gòu)組成，感知層主要用于感知智能化，采集信息或識別物體并抓獲關(guān)鍵信息的一系列活動。網(wǎng)絡(luò)層主要對信息進行傳輸通信，應(yīng)用層即各類應(yīng)用包括了工業(yè)監(jiān)控、智能電網(wǎng)、綠色農(nóng)業(yè)等。

2 光纖傳感器在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀問題

2.1 光纖傳感器發(fā)展現(xiàn)狀

自光纖傳感器技術(shù)誕生應(yīng)用至今，便具有較大優(yōu)越性被廣泛運用這一特點，引起了國際間各個國家地區(qū)的重視和關(guān)注，并對光纖傳感器技術(shù)展開深入的開發(fā)研究。現(xiàn)如今在國際研究界已經(jīng)對光纖傳感器，完成了壓力、位移、速度、溫度、液位、振動、角度高達七十多種的物理量測量。在英、美、德、日等國家，還對光纖傳感器技術(shù)展開更多現(xiàn)代化研究，譬如在數(shù)字光纖控制系統(tǒng)、光纖傳感器系統(tǒng)、飛機發(fā)動機監(jiān)控、光纖陀螺多領(lǐng)域均獲得成熟研究結(jié)論。我國于1983 年展開對光纖傳感器的系列研究，部分科研院校及技術(shù)公司、高校對光纖傳感器的研究，推進了光纖傳感器在我國的應(yīng)用發(fā)展。在物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)傳感器作為至關(guān)重要不可缺少的組成，所以傳感器性能會直接對物聯(lián)網(wǎng)性能造成影響。基于本質(zhì)層面來講物聯(lián)網(wǎng)主要經(jīng)傳感器完成信息收集，所以傳感器作為獲取信息的關(guān)鍵源頭，所搜集信息的準確性會對節(jié)點處理造成直接影響，還會對信息傳遞產(chǎn)生影響。所以可以發(fā)現(xiàn)傳感器的運行穩(wěn)定可靠，對于物聯(lián)網(wǎng)來講十分關(guān)鍵且作用重大。

2.2 光纖傳感器技術(shù)問題

對于物聯(lián)網(wǎng)在發(fā)展進程中計算機技術(shù)、通信技術(shù)都占據(jù)至關(guān)重要的地位，傳感器技術(shù)則處于較差位置，主要由于傳感器技術(shù)目前存在較多問題，以下方面為主要表現(xiàn)：

第一，我國對于光纖傳感器技術(shù)還尚未給予足夠支持，且呈分散化管理，再加上對傳感器缺少推進力度，相較通信、計算機產(chǎn)業(yè)比較落后；

第二，目前光纖傳感技術(shù)缺乏充分的核心技術(shù)，并且光纖傳感技術(shù)缺乏創(chuàng)新能力，未開發(fā)新器件和新技術(shù)原理，研究界也未深入研究傳感器基礎(chǔ)理論，結(jié)構(gòu)材料特性、建立數(shù)學(xué)模型、仿真工藝研究等，因此目前我國傳感器技術(shù)較國外仍然比較落后；

第三，目前還未解決共性關(guān)鍵技術(shù)問題，其中涉及了設(shè)計、可靠性、裝備、封裝各項技術(shù)；

第四，規(guī)格、品種及系列不夠全面，有關(guān)技術(shù)也尚未得到我國明文規(guī)定的指標標準，因此無法形成系列傳感器產(chǎn)品。

總結(jié)來講傳感器技術(shù)對于物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展造成直接影響，未來幾年在物聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展背景下，必須要推進傳感器技術(shù)的發(fā)展，如若不能我國將會在傳感器市場被國外先進國家侵占，造成巨大的經(jīng)濟損失。

3 光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)

基于以上光纖傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)知識及現(xiàn)狀可以了解到，物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)應(yīng)當運用大量傳感器設(shè)備，完成對不同環(huán)境參數(shù)的感知搜集及傳輸，從而提供原始數(shù)據(jù)信息所得針對性信息。所以對于物聯(lián)網(wǎng)來講傳感器作為核心組成，基于物聯(lián)網(wǎng)光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用（見圖2）。目前在我國應(yīng)用光纖傳感器技術(shù)中，主要以下四種比較常用：一是光纖陀螺，此種光纖傳感器技術(shù)又可以劃分為干涉型、諧振型、布里淵型；二是光纖水聽器，此種傳感器技術(shù)基于光電子、光纖技術(shù)實現(xiàn)，能夠?qū)λ滦盘枩蚀_感知，從而轉(zhuǎn)變形成光信號經(jīng)光纖傳輸至信號處理系統(tǒng)最終可獲聲音信號；三是光纖光柵傳感器，該類型光纖傳感器技術(shù)在近年來得到了飛速發(fā)展，包括了壓力、溫度傳感器產(chǎn)品。其中在近年來對該類型光纖傳感器技術(shù)的研究熱點，以光纖Bragg 光柵傳感器為主，主要以光強型、干涉型為主但是在應(yīng)用中各有利弊；四是電流傳感器，隨著市場經(jīng)濟的飛速發(fā)展，電力行業(yè)也得到較快發(fā)展，所以對電流在測量過程中尤其對部分大電流情況，應(yīng)當運用電流傳感器完成測量，由此預(yù)防較強電流引發(fā)安全事故。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)光纖傳感技術(shù)應(yīng)用

3.1 建設(shè)工程物聯(lián)網(wǎng)

隨著現(xiàn)代化建設(shè)進程的逐步加快，我國工程項目建設(shè)數(shù)量也逐漸增加，在橋梁、公路、路橋、隧道等重大建筑工程項目進行或使用中，極易發(fā)生裂縫、滲漏、局部坍塌、火災(zāi)甚至崩塌等情況，這些不僅會對人們的生命財產(chǎn)安全造成嚴重威脅，甚至還對我國的經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生影響。所以通過應(yīng)用光纖傳感器嵌入至建筑物或設(shè)施內(nèi)部，能夠?qū)蛄航Y(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)變化、交通荷載等情況實時感受，并且在張力傳感器技術(shù)作用下，對極易出現(xiàn)安全事故的局部變形情況實時感受，并且該類信息能夠結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成光纖物聯(lián)網(wǎng)，從而長期實時監(jiān)測基礎(chǔ)設(shè)施的使用情況，最大限度對事故及時預(yù)防或減少。另外鋼筋混凝土作為建筑領(lǐng)域應(yīng)用較多的重要材料，應(yīng)用光纖傳感器技術(shù)可以在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)埋入光纖材料，從而實現(xiàn)對混凝土熱應(yīng)力的測量。并在混凝土凝固情況下，可能由于水化作用所致出現(xiàn)溫度梯度，光纖傳感器即可以監(jiān)測熱應(yīng)力內(nèi)部溫度變化，從而更精準的控制混凝土冷卻速度。除此之外巖土工程應(yīng)用光纖傳感器技術(shù)監(jiān)測，可以突破復(fù)雜環(huán)境、長時效、環(huán)境制約等多因素局限，運用光纖傳感技術(shù)能夠發(fā)揮其小體積、快反應(yīng)、輕重量、不導(dǎo)電及抗腐蝕特點，檢測巖土力學(xué)工程。

3.2 農(nóng)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

我國作為國際間位居前列的農(nóng)業(yè)大國，約有一半人數(shù)都在農(nóng)村，所以我國的農(nóng)村發(fā)展對綜合國力經(jīng)濟發(fā)展十分關(guān)鍵。物聯(lián)網(wǎng)、傳感器技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，也對我國農(nóng)業(yè)實現(xiàn)現(xiàn)代化進程起推動作用。通過在農(nóng)作物育苗、生長、儲藏及收獲多環(huán)節(jié)中運用傳感器技術(shù)，能夠形成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)從而實時高效的管理農(nóng)業(yè)，最終實現(xiàn)低耗高產(chǎn)農(nóng)業(yè)預(yù)期目標。對于農(nóng)作物秧苗生長過程中，可以運用光纖溫度、濕度、二氧化碳這三類傳感器技術(shù)，實時搜集農(nóng)作物秧苗在生長中，所處的生長環(huán)境溫、濕度、光照、土壤養(yǎng)分、PH 值、二氧化碳濃度多物理值，并向管理中心反饋所搜集檢測得出的物理量，并經(jīng)自動控制裝置對應(yīng)參數(shù)加以調(diào)節(jié)，確保農(nóng)作物的生長環(huán)境始終最佳化。除此之外在加工存儲農(nóng)產(chǎn)品時，同樣可以運用光纖溫度、濕度傳感器技術(shù)，對糧倉的內(nèi)部環(huán)境情況實時獲取，作為通風(fēng)翻曬作業(yè)的指導(dǎo)依據(jù)。并且在儲藏瓜果蔬菜時，同樣需要借助光纖氣體傳感器技術(shù)，對儲藏環(huán)境中的氧、乙烯、二氧化碳、氟利昂、氨多種氣體濃度加以測量。并經(jīng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)向監(jiān)測中心實現(xiàn)信息反饋，并完成信息實時遠程監(jiān)控。

3.3 周界入侵防范系統(tǒng)

隨著我國現(xiàn)代化技術(shù)的飛速發(fā)展，光纖傳感技術(shù)也逐漸拓寬至各領(lǐng)域發(fā)展應(yīng)用，在周界入侵防范系統(tǒng)中，常用傳感器類型多樣，所以也形成了針對性的差異化解決方案。以傳感器技術(shù)本質(zhì)來說，借助光纖周界入侵傳感器，所得部分外界干擾類信息最終發(fā)出警報，因此該類傳感器技術(shù)也愈來愈廣泛應(yīng)用，譬如在電站、機場、以及軍事基地領(lǐng)域中，都獲得飛速發(fā)展。

3.4 其他應(yīng)用

光纖傳感器由于具備強抗電磁干擾的技術(shù)優(yōu)勢，所以能夠?qū)㈦妭鞲衅髦袘?yīng)用光纖傳感器技術(shù)，在多種不易使用場合加以運用。譬如國防領(lǐng)域可以在水聲探潛中應(yīng)用光纖傳感器，以及光纖制導(dǎo)、姿態(tài)控制，以及航天航空器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷探測，對電磁、生化戰(zhàn)場環(huán)境的實時信息探測等領(lǐng)域。以及電力系統(tǒng)中，能夠使用對大型電機轉(zhuǎn)子、定子、高壓變壓器內(nèi)部溫度、電流及電壓信息的實時測量工作中。除此之外對于開采油氣田時，井下壓力、溫度以及輸油管泄露測量工作，同樣可以應(yīng)用光纖傳感器，實時掌握井下相關(guān)參數(shù)。總之通過實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)與光纖傳感器的有效結(jié)合，即形成強大物聯(lián)網(wǎng)達到安全生產(chǎn)管理。

4 結(jié)束語

在目前社會發(fā)展中光纖傳感器以其自身各類優(yōu)點，得到人們愈來愈多的重視關(guān)注度，并在社會生活的多領(lǐng)域譬如在建設(shè)工程、農(nóng)業(yè)、周界入侵防范等物聯(lián)網(wǎng)中都得以廣泛運用。總之對于物聯(lián)網(wǎng)來講傳感器作為核心技術(shù)組成，隨著我國科學(xué)技術(shù)水平的不斷創(chuàng)新，傳感技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)也會隨之創(chuàng)新發(fā)展，實現(xiàn)光纖傳感器技術(shù)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)，能夠為人類社會生產(chǎn)生活發(fā)揮重大作用。