高靈敏高速度，光纖傳感器的原理及應(yīng)用解析

　　隨著光纖及光纖通信技術(shù)的飛速發(fā)展，光纖傳感技術(shù)應(yīng)運(yùn)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(yīng)速度快、抗電磁干擾能力強(qiáng)和使用方便等優(yōu)點(diǎn)迅速發(fā)展起來。尤其是物聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展的今天，光纖傳感技術(shù)的地位更不可忽視。

　　光纖傳感器基本原理及發(fā)展現(xiàn)狀

　　1.光纖傳感器基本原理及分類

　　光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新型的傳感技術(shù)，當(dāng)光在光纖中傳播時(shí)，在外界溫度、壓力、位移、磁場(chǎng)、電場(chǎng)和轉(zhuǎn)動(dòng)等因素作用下，通過光的反射、折射和吸收效應(yīng)，光學(xué)多普勒效應(yīng)、聲光、電光、磁光和彈光效應(yīng)等，可使光波的振幅、相位、偏振態(tài)和波長(zhǎng)等參量直接或間接地發(fā)生變化，因而可將光纖作為敏感元件來探測(cè)各種物理量。

　　光纖傳感器主要由光源、傳輸光纖、光電探測(cè)器和信號(hào)處理部分等組成。其基本原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入傳感頭（調(diào)制器），使待測(cè)量參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位和偏振態(tài)等）發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號(hào)光，再經(jīng)過光纖送入光電探測(cè)器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，最后經(jīng)過信號(hào)處理后還原出被測(cè)物理量。光纖傳感器一般可分為功能型（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(duì)外界信息具有敏感能力和檢測(cè)能力的特性，將光纖作為敏感元件，當(dāng)被測(cè)量在光纖中傳輸時(shí)，光的強(qiáng)度、相位、頻率或偏振態(tài)等特性將發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)了調(diào)制的功能。然后再通過對(duì)被調(diào)制過的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，得出被測(cè)信號(hào)。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(cè)量的變化，光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)，即光纖只起導(dǎo)光作用。與傳統(tǒng)的電傳感器相比，光纖傳感器具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、電絕緣性好和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如環(huán)境、橋梁、大壩、油田、臨床醫(yī)學(xué)檢測(cè)和食品安全檢測(cè)等領(lǐng)域。

　　2.光纖傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀

　　自光纖傳感器誕生以來，其優(yōu)越性及應(yīng)用廣泛性受到了世界各國(guó)的密切關(guān)注及高度重視，并對(duì)其展開了積極的研究及開發(fā)。目前，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了光纖傳感器對(duì)位移、壓力、溫度、速度、振動(dòng)、液位和角度等70多種物理量的測(cè)量。美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)和日本等一些國(guó)家將重點(diǎn)研究放在光纖傳感器系統(tǒng)、現(xiàn)代數(shù)字光纖控制系統(tǒng)、光纖陀螺、核輻射監(jiān)控、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控和民用計(jì)劃等6個(gè)方面，并取得了一定的成就。

　　我國(guó)光纖傳感器的研究工作開始于1983年，一些大學(xué)、科研院所和公司等對(duì)光纖傳感器的研究使得光纖傳感技術(shù)得到了飛速發(fā)展。2010年南京大學(xué)工程管理學(xué)院教授張旭蘋發(fā)明的“基于布里淵效應(yīng)的連續(xù)分布式光纖傳感技術(shù)”通過了教育部組織的專家鑒定。鑒定專家組一致認(rèn)為，此項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新性強(qiáng)，擁有多項(xiàng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，技術(shù)上達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)水平，具有良好的應(yīng)用前景。這一技術(shù)的本質(zhì)是運(yùn)用了物聯(lián)網(wǎng)概念，該技術(shù)填補(bǔ)了我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)空白。

　　物聯(lián)網(wǎng)的基本原理

　　物聯(lián)網(wǎng)的概念是1999年提出的，其英文名稱為“TheInternetofThings”，即“物物相連的網(wǎng)絡(luò)”。物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上利用RFID（無線射頻識(shí)別）技術(shù)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)以及激光掃描器等信息傳感設(shè)備將物品與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)信息交換和通信，從而實(shí)現(xiàn)智能化定位、智能化識(shí)別、跟蹤、監(jiān)控和管理的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)包括3個(gè)層面：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

　　感知層主要是采集物品在物理世界中發(fā)生的各種數(shù)據(jù)信息，主要由溫度感應(yīng)器、聲音感應(yīng)器、振動(dòng)感應(yīng)器、壓力感應(yīng)器、傳感器、終端、RFID標(biāo)簽和讀寫器、二維碼標(biāo)簽和讀寫器、傳感器網(wǎng)絡(luò)等各種類型的采集和控制模塊組成。

　　網(wǎng)絡(luò)層分為接入層和承載網(wǎng)絡(luò)兩部分，該層能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍信息溝通，通過現(xiàn)在已經(jīng)存在的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)等通信系統(tǒng)，將感知層得到的數(shù)據(jù)信息傳到地球各個(gè)地方，實(shí)現(xiàn)地球范圍內(nèi)的遠(yuǎn)距離通信。

　　應(yīng)用層由各種應(yīng)用服務(wù)器組成，該層的主要任務(wù)是在感知層和網(wǎng)絡(luò)層的工作完成之后匯總獲得的所有關(guān)于物品的信息，然后對(duì)信息進(jìn)行再加工，進(jìn)一步提高信息的綜合利用度。該層是物聯(lián)網(wǎng)與各種行業(yè)的橋梁，可以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)中，滿足行業(yè)需求，實(shí)現(xiàn)行業(yè)的智能化。

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

　　由上述物聯(lián)網(wǎng)的基本知識(shí)可知，在物聯(lián)網(wǎng)中需要大量的傳感器來感知各種各樣的環(huán)境參數(shù)，為物聯(lián)網(wǎng)提供最原始的數(shù)據(jù)信息，然后通過處理得到人們所需要的結(jié)果，因此傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的核心。

　　1.在基礎(chǔ)設(shè)施工程物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

　　在公路、橋梁、隧道和建筑等重大工程建設(shè)及使用過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)隧道局部坍塌、滲漏以及火災(zāi)，橋梁局部裂縫、崩塌等現(xiàn)象，不僅嚴(yán)重威脅著人民的生命及財(cái)產(chǎn)安全，還影響了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速穩(wěn)定發(fā)展。將光纖傳感器嵌于這些建筑物或者公共設(shè)施內(nèi)部，可以感受橋梁的結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性及交通荷載等狀況，同時(shí)利用張力傳感器感受隧道容易發(fā)生塌方的局部的變形情況，這些信息可以與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，形成一個(gè)“光纖物聯(lián)網(wǎng)”，實(shí)現(xiàn)對(duì)這些基礎(chǔ)設(shè)施的長(zhǎng)期穩(wěn)定的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，減少事故的發(fā)生。

　　2.在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

　　物聯(lián)網(wǎng)及傳感技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)的進(jìn)步。將傳感技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)作物的育苗、生長(zhǎng)、收獲及儲(chǔ)藏等環(huán)節(jié)，并形成一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可以使農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)及管理達(dá)到高產(chǎn)、低耗的目的。

　　在農(nóng)作物的育苗、生長(zhǎng)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(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境中的溫度、相對(duì)濕度、光照強(qiáng)度、土壤中的養(yǎng)分、ＰＨ值及二氧化碳濃度等物理量進(jìn)行檢測(cè)，并實(shí)時(shí)反饋給管理中心，再經(jīng)過自動(dòng)控制裝置調(diào)節(jié)相應(yīng)的參數(shù)，可使農(nóng)作物有一個(gè)最佳的生長(zhǎng)環(huán)境，達(dá)到快速生長(zhǎng)及高產(chǎn)的目的。

　　此外，在農(nóng)產(chǎn)品的加工及儲(chǔ)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(cāng)的環(huán)境信息并用來指導(dǎo)通風(fēng)翻曬等作業(yè)。對(duì)水果、蔬菜等的儲(chǔ)藏需要相應(yīng)的光纖氣體傳感器來測(cè)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(lián)網(wǎng)系統(tǒng)反饋到監(jiān)測(cè)中心，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

　　3.在智能周界入侵防范系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　基于光纖傳感技術(shù)的周界入侵防范系統(tǒng)，是近年來隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展而在工業(yè)領(lǐng)域的一大應(yīng)用亮點(diǎn)。目前，應(yīng)用在周界入侵防范系統(tǒng)中的傳感器種類繁多，因而系統(tǒng)的技術(shù)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?jǐn)_情況，并及時(shí)報(bào)警，該項(xiàng)技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)、電站和軍事基地等重要場(chǎng)所。

　　4.其他應(yīng)用

　　光纖傳感器由于具有抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，因此可以應(yīng)用于電傳感器不易使用的場(chǎng)合，在國(guó)防上，光纖傳感器可用于水聲探潛（光纖水聽器）、光纖制導(dǎo)、姿態(tài)控制、航天航空器的結(jié)構(gòu)損傷探測(cè)以及戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境（電磁環(huán)境、生化環(huán)境等）的探測(cè)等；在電力系統(tǒng)中，可用于測(cè)量大型電機(jī)的轉(zhuǎn)子、定子和高壓變壓器內(nèi)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(shù)的監(jiān)測(cè)、輸油管的泄漏監(jiān)測(cè)等，這些均可以與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，形成強(qiáng)大的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)和管理。

　　結(jié)束語

　　光纖傳感器以其多方面的優(yōu)點(diǎn)越來越受到人們的關(guān)注，且已廣泛應(yīng)用于國(guó)民生活的不同領(lǐng)域。傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的核心，隨著傳感技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，光纖傳感技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)的緊密結(jié)合將成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，且在人們的生產(chǎn)和生活中將發(fā)揮越來越大的作用。