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基于物聯網的光纖傳感技術應用方案
瀏覽: 發布日期:2017-04-26
  1/7/2012,隨著光纖及光纖通信技術的飛速發展,光纖傳感技術應運而生。自誕生以來,光纖傳感器以其體積小、重量輕、靈敏度高、響應速度快、抗電磁干擾能力強和使用方便等優點迅速發展起來,并廣泛應用于化學醫藥、材料工業、水利電力、船舶、煤礦和土木工程等各個領域。尤其是物聯網飛速發展的今天,光纖傳感技術的地位更不可忽視。 

  1 光纖傳感器基本原理及發展現狀 

  1.1 光纖傳感器基本原理及分類 

  光纖傳感技術是20世紀70年代發展起來的一種新型的傳感技術,當光在光纖中傳播時,在外界溫度、壓力、位移、磁場、電場和轉動等因素作用下,通過光的反射、折射和吸收效應,光學多普勒效應、聲光、電光、磁光和彈光效應等,可使光波的振幅、相位、偏振態和波長等參量直接或間接地發生變化,因而可將光纖作為敏感元件來探測各種物理量[2]。 

  光纖傳感器主要由光源、傳輸光纖、光電探測器和信號處理部分等組成。其基本原理是將來自光源的光經過光纖送入傳感頭(調制器),使待測量參數與進入調制區的光相互作用后,導致光的光學性質(如光的強度、波長、頻率、相位和偏振態等)發生變化,成為被調制的信號光,再經過光纖送入光電探測器,將光信號轉化為電信號,最后經過信號處理后還原出被測物理量[3]。光纖傳感器的種類較多,一般可以分為功能型(傳感型)傳感器和非功能型(傳光型)傳感器兩大類。 

  功能型傳感器是利用光纖對外界信息具有敏感能力和檢測能力的特性,將光纖作為敏感元件,當被測量在光纖中傳輸時,光的強度、相位、頻率或偏振態等特性將發生變化,從而實現了調制的功能。然后再通過對被調制過的信號進行解調,得出被測信號。在這種傳感器中,光纖不僅起到了傳光的作用,還起到了"感"的作用。 

  非功能型傳感器是利用其他敏感元件來感受被測量的變化,光纖僅作為信息的傳輸介質,即光纖只起導光作用[3]。與傳統的電傳感器相比,光纖傳感器具有抗電磁干擾能力強、電絕緣性好和靈敏度高等優點,因而被廣泛應用于各個領域,如環境、橋梁、大壩、油田、臨床醫學檢測和食品安全檢測等領域[4]。 

  1.2 光纖傳感器的發展現狀 

  自光纖傳感器誕生以來,其優越性及應用廣泛性受到了世界各國的密切關注及高度重視,并對其展開了積極的研究及開發。目前,已經實現了光纖傳感器對位移、壓力、溫度、速度、振動、液位和角度等70多種物理量的測量。美國、英國、德國和日本等一些國家將重點研究放在光纖傳感器系統、現代數字光纖控制系統、光纖陀螺、核輻射監控、飛機發動機監控和民用計劃等6個方面,并取得了一定的成就[5]。 

  我國光纖傳感器的研究工作開始于1983年,一些大學、科研院所和公司等對光纖傳感器的研究使得光纖傳感技術得到了飛速發展[5]。2010年5月7日,人民網報道了南京大學工程管理學院教授張旭蘋發明的"基于布里淵效應的連續分布式光纖傳感技術"通過了教育部組織的專家鑒定的消息。鑒定專家組一致認為,此項技術創新性強,擁有多項自主知識產權,技術上達到了國內領先、國際先進水平,具有良好的應用前景。這一技術的本質是運用了物聯網概念,該技術填補了我國物聯網空白。 

2 物聯網的基本原理 

  物聯網的概念是1999年提出的,其英文名稱為"The Internet of Things",即"物物相連的網絡"。物聯網是在互聯網的基礎上利用RFID(無線射頻識別)技術、紅外感應器、全球定位系統以及激光掃描器等信息傳感設備將物品與互聯網進行連接,實現信息交換和通信,從而實現智能化定位、智能化識別、跟蹤、監控和管理的網絡[6]。物聯網的技術架構包括3個層面:感知層、網絡層和應用層[6]。 #p#分頁標題#e#

  感知層主要是采集物品在物理世界中發生的各種數據信息,主要由溫度感應器、聲音感應器、振動感應器、壓力感應器、傳感器、終端、RFID 標簽和讀寫器、二維碼標簽和讀寫器、傳感器網絡等各種類型的采集和控制模塊組成。 

  網絡層分為接入層和承載網絡兩部分,該層能夠實現大范圍信息溝通,通過現在已經存在的移動網絡、互聯網等通信系統,將感知層得到的數據信息傳到地球各個地方,實現地球范圍內的遠距離通信。 

  應用層由各種應用服務器組成,該層的主要任務是在感知層和網絡層的工作完成之后匯總獲得的所有關于物品的信息,然后對信息進行再加工,進一步提高信息的綜合利用度[6-7]。該層是物聯網與各種行業的橋梁,可以實現物聯網技術應用到各個行業中,滿足行業需求,實現行業的智能化。 

  3 基于物聯網的光纖傳感技術應用方案 

  由上述物聯網的基本知識可知,在物聯網中需要大量的傳感器來感知各種各樣的環境參數,為物聯網提供最原始的數據信息,然后通過處理得到人們所需要的結果。因此傳感器是物聯網的核心,基于物聯網的光纖傳感技術應用方案如圖1所示。 


 注:ADSL:非對稱數字用戶環路; 3G:第三代移動通信技術;

  xPON:無源光網絡; PLC:可編程邏輯控制器;

 圖1 基于物聯網的光纖傳感技術應用方案;


3.1 在基礎設施工程物聯網中的應用 

  在公路、橋梁、隧道和建筑等重大工程建設及使用過程中,經常會出現隧道局部坍塌、滲漏以及火災,橋梁局部裂縫、崩塌等現象,不僅嚴重威脅著人民的生命及財產安全,還影響了國民經濟的快速穩定發展。將光纖傳感器嵌于這些建筑物或者公共設施內部,可以感受橋梁的結構變形、結構動態特性及交通荷載等狀況,同時利用張力傳感器感受隧道容易發生塌方的局部的變形情況,這些信息可以與互聯網相結合,形成一個"光纖物聯網",實現對這些基礎設施的長期穩定的實時監測,減少事故的發生[8]。 

  3.2 在現代農業物聯網中的應用[9] 

  中國是一個發展中的農業大國,全國約一半人口在農村,發展農業對中國經濟的發展至關重要。物聯網及傳感技術的發展推動了農業現代化技術的進步。將傳感技術應用在農作物的育苗、生長、收獲及儲藏等環節,并形成一個物聯網系統,可以使農業的生產及管理達到高產、低耗的目的。 

  在農作物的育苗、生長過程中,通過光纖溫度傳感器、光纖濕度傳感器及光纖二氧化碳傳感器等對農作物生長環境中的溫度、相對濕度、光照強度、土壤中的養分、PH 值及二氧化碳濃度等物理量進行檢測,并實時反饋給管理中心,再經過自動控制裝置調節相應的參數,可使農作物有一個最佳的生長環境,達到快速生長及高產的目的。此外,在農產品的加工及儲存過程中,同樣也可以利用光纖溫度傳感器及光纖濕度傳感器來獲取糧倉的環境信息并用來指導通風翻曬等作業。對水果、蔬菜等的儲藏需要相應的光纖氣體傳感器來測量乙烯、氧、二氧化碳、氨、氟利昂等氣體的濃度。這些信息可以通過物聯網系統反饋到監測中心,進行實時監控,且可以實現遠程控制。 

  3.3 在智能周界入侵防范系統中的應用 

  基于光纖傳感技術的周界入侵防范系統,是近年來隨著光纖傳感技術的發展而在工業領域的一大應用亮點。目前,應用在周界入侵防范系統中的傳感器種類繁多,因而系統的技術解決方案也大相徑庭,但總體上來說,均是采用光纖周界入侵傳感器來感受外界侵擾情況,并及時報警,該項技術可以廣泛應用于機場、電站和軍事基地等重要場所。 

  3.4 其他應用 

  光纖傳感器由于具有抗電磁干擾等優點,因此可以應用于電傳感器不易使用的場合,在國防上,光纖傳感器可用于水聲探潛(光纖水聽器)、光纖制導、姿態控制、航天航空器的結構損傷探測以及戰場環境(電磁環境、生化環境等)的探測等;在電力系統中,可用于#p#分頁標題#e#測量大型電機的轉子、定子和高壓變壓器內部的電流、電壓和溫度等;此外,光纖傳感器還可以用于油氣開采過程中井下的壓力、溫度等參數的監測、輸油管的泄漏監測等,這些均可以與互聯網相結合,形成強大的物聯網絡,實現安全生產和管理。 

  4 結束語 

  光纖傳感器以其多方面的優點越來越受到人們的關注,且已廣泛應用于國民生活的不同領域。傳感器是物聯網的核心,隨著傳感技術及物聯網的快速發展,光纖傳感技術與物聯網的緊密結合將成為人們關注的焦點,且在人們的生產和生活中將發揮越來越大的作用。 

參考文獻: 

  [1] 林之華,陳君洪,張子橋.光纖傳感器實驗系統的研究及實現[J].光通信技術,2011,(9):37-39. 

  [2] 陳炳炎.光纖技術在物聯網中的應用[J].網絡電信,2010,(6):41-43. 

  [3] 蘇賜民.光纖傳感器[J].科技資訊,2010,17:125-125. 

  [4] 盧一鑫,楊璐娜.光纖傳感器的應用現狀及未來發展趨勢[J].科技信息,2011,(3):113-114. 

  [5] 周福星.光纖傳感器的應用與發展[J].中小企業管理與科技,2010,(8):299-300. 

  [6] 吳德本.物聯網綜述[J].有線電視技術,2011,(1):107-110. 

  [7] 周赪.物聯網概述[J].信息安全與通信保密,2011,(10):63-64. 

  [8] 陳繼宣,龔華平,張在宣.光纖傳感器的工程應用及發展趨勢[J].光通信技術,2009,(10):38-40. 

  [9] 陳淵彬、陸朝榮.光纖傳感器在農業上的應用[J].農業裝備技術,2010,3(36):25-26.