隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感器技術(shù)迅速崛起，并越來(lái)越多的應(yīng)用于日常生活的方方面面，大有取代電子傳感器的趨勢(shì)。在新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推動(dòng)下，如何將光纖傳感器與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完美融合無(wú)疑將成為當(dāng)今科學(xué)技術(shù)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。
1 物聯(lián)網(wǎng)
1．1 物聯(lián)網(wǎng)的概念
籠統(tǒng)來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)就是將各種信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來(lái)而形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)。具體來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)就是通過(guò)射頻識(shí)別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議把物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)進(jìn)行信息交換和通訊，從而實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。
1．2 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展進(jìn)程
物聯(lián)網(wǎng)本身并不是一個(gè)嶄新的概念，已經(jīng)擁有了十多年的歷史。1995年比爾·蓋茨在<未來(lái)之路》一書(shū)中提出了物聯(lián)網(wǎng)的理念。1999年，麻省理工學(xué)院的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)中心(Auto-ID Center)的Ashton教授最先提出了“物聯(lián)網(wǎng)”概念。2005年11月，國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布了《TTU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005：物聯(lián)網(wǎng)》，使用了“物聯(lián)網(wǎng)”的概念。2009年1月，在奧巴馬總統(tǒng)與美國(guó)工商界領(lǐng)袖的圓桌會(huì)議上，IBM首席執(zhí)行官彭明盛(Samuel Palmisano)提出了“智慧地球”(Smarter Planet)的概念。此時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)作為一種較為成熟的概念被提出。2010年3月5日，溫家寶總理在<政府工作報(bào)告>中也提出：“加快物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)應(yīng)用。加大對(duì)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的投入和政策支持。”目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已被列為國(guó)家五大新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一。
1．3 物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)
從物聯(lián)網(wǎng)的概念可以看到，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涉及了現(xiàn)代電子技術(shù)、通信技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等諸多新技術(shù)，但其中的關(guān)鍵技術(shù)主要有：射頻識(shí)別技術(shù)，它是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞從而達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)；傳感器技術(shù)，作為獲取信息的關(guān)鍵器件，傳感器是現(xiàn)代信息系統(tǒng)常用的信息采集工具；網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)終究是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，最基礎(chǔ)的物物之間的感知和通信仍然是不可替代的關(guān)鍵技術(shù)。
2 光纖傳感器
2．1 光纖傳感器的結(jié)構(gòu)
光纖傳感器主要由光源、光纖、敏感元件、光電探測(cè)器和信號(hào)處理系統(tǒng)等部分組成，由光源發(fā)出的光通過(guò)傳輸光纖到達(dá)敏感元件(傳感頭)，光的某一性質(zhì)在此受被測(cè)量調(diào)制，已調(diào)制的光信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，最后經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)得到被測(cè)量，如圖1所示。
2．2 光纖傳感器的分類
根據(jù)光纖在傳感器中的作用，可分為功能型、非功能型和拾光型光纖傳感器3大類。
功能型光纖傳感器中光纖既是導(dǎo)光介質(zhì)也是敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測(cè)量調(diào)制而發(fā)生變化。這類傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高，但是需要特殊光纖和先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)，因此成本較高。
非功能型光纖傳感器中光纖僅僅起導(dǎo)光作用，光要照在非光纖型敏感元件上才會(huì)受被測(cè)量調(diào)制。這類光纖傳感器無(wú)需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，因此比較容易實(shí)現(xiàn)且成本較低，但靈敏度也比較低，適用于對(duì)靈敏度要求不高的場(chǎng)合。目前，已實(shí)用化或尚在研制的光纖傳感器大都是非功能型的。
拾光型光纖傳感器用光纖作為探頭，接收由被測(cè)對(duì)象輻射的光或被其反射、散射的光。
在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中，目前應(yīng)用較多的是非功能型光纖傳感器。
3 光纖傳感器與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合
3．1 傳感網(wǎng)絡(luò)
傳感網(wǎng)絡(luò)是由眾多傳感器節(jié)點(diǎn)組成的有線或無(wú)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(wú)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(zhǎng)時(shí)間工作在長(zhǎng)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(wú)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)。
3．2 光纖傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用
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(guò)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(wèn)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(lái)說(shuō)，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。現(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(zhǎng)也隨之發(fā)生變化，通過(guò)計(jì)算腔長(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)，最后通過(guò)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(lái)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(guó)外得到廣泛應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)的研究也已經(jīng)開(kāi)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，其系統(tǒng)組成如圖3所示。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(guò)耦合器輸出到干涉儀，布里淵散射信號(hào)被提取出來(lái)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(guò)對(duì)波形的分析獲得監(jiān)測(cè)的參數(shù)變化。
由于我國(guó)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(guò)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)建筑工程
在建筑工程中為確保工程質(zhì)量和建設(shè)過(guò)程安全進(jìn)行，通常需要在橋梁、大壩和樓宇的建設(shè)過(guò)程中采集多個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，以此來(lái)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(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，鋼弦式傳感器的鋼弦也會(huì)隨時(shí)間的延長(zhǎng)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(zhǎng)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(lái)說(shuō)，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(wèn)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(guó)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。
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(guò)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(guó)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(wú)人機(jī)，控制飛機(jī)的姿態(tài)。光纖陀螺的原理如圖5所示。
在海防領(lǐng)域中，光纖水聽(tīng)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(kāi)始用于海上邊防和重要軍事地區(qū)的海防警戒。光纖水聽(tīng)器的工作原理如圖6所示。
近幾年由光纖傳感技術(shù)發(fā)展而來(lái)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(guó)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)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 結(jié)束語(yǔ)
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(wèn)題，將具有更加廣闊的應(yīng)用前景。
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