高靈敏高速度，光纖傳感器的原理及應用解析

　　隨著(zhù)光纖及光纖通信技術(shù)的飛速發(fā)展，光纖傳感技術(shù)應運而生。自誕生以來(lái)，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(yōu)點(diǎn)迅速發(fā)展起來(lái)。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)展現狀

　　1.光纖傳感器基本原理及分類(lèi)

　　光纖傳感技術(shù)是20世紀70年代發(fā)展起來(lái)的一種新型的傳感技術(shù)，當光在光纖中傳播時(shí)，在外界溫度、壓力、位移、磁場(chǎng)、電場(chǎng)和轉動(dòng)等因素作用下，通過(guò)光的反射、折射和吸收效應，光學(xué)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(tài)和波長(cháng)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(lái)探測各種物理量。

　　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(lái)自光源的光經(jīng)過(guò)光纖送入傳感頭（調制器），使待測量參數與進(jìn)入調制區的光相互作用后，導致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強度、波長(cháng)、頻率、相位和偏振態(tài)等）發(fā)生變化，成為被調制的信號光，再經(jīng)過(guò)光纖送入光電探測器，將光信號轉化為電信號，最后經(jīng)過(guò)信號處理后還原出被測物理量。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(lèi)。

　　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(shí)，光的強度、相位、頻率或偏振態(tài)等特性將發(fā)生變化，從而實(shí)現了調制的功能。然后再通過(guò)對被調制過(guò)的信號進(jìn)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(lái)感受被測量的變化，光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)，即光纖只起導光作用。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(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應用于各個(gè)領(lǐng)域，如環(huán)境、橋梁、大壩、油田、臨床醫學(xué)檢測和食品安全檢測等領(lǐng)域。

　　2.光纖傳感器的發(fā)展現狀

　　自光纖傳感器誕生以來(lái)，其優(yōu)越性及應用廣泛性受到了世界各國的密切關(guān)注及高度重視，并對其展開(kāi)了積極的研究及開(kāi)發(fā)。目前，已經(jīng)實(shí)現了光纖傳感器對位移、壓力、溫度、速度、振動(dòng)、液位和角度等70多種物理量的測量。美國、英國、德國和日本等一些國家將重點(diǎn)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(fā)動(dòng)機監控和民用計劃等6個(gè)方面，并取得了一定的成就。

　　我國光纖傳感器的研究工作開(kāi)始于1983年，一些大學(xué)、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(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(píng)發(fā)明的“基于布里淵效應的連續分布式光纖傳感技術(shù)”通過(guò)了教育部組織的專(zhuān)家鑒定。鑒定專(zhuān)家組一致認為，此項技術(shù)創(chuàng )新性強，擁有多項自主知識產(chǎn)權，技術(shù)上達到了國內領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平，具有良好的應用前景。這一技術(shù)的本質(zhì)是運用了物聯(lián)網(wǎng)概念，該技術(shù)填補了我國物聯(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(chēng)為“TheInternetofThings”，即“物物相連的網(wǎng)絡(luò )”。物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎上利用RFID（無(wú)線(xiàn)射頻識別）技術(shù)、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(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，實(shí)現信息交換和通信，從而實(shí)現智能化定位、智能化識別、跟蹤、監控和管理的網(wǎng)絡(luò )。物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構包括3個(gè)層面：感知層、網(wǎng)絡(luò )層和應用層。

　　感知層主要是采集物品在物理世界中發(fā)生的各種數據信息，主要由溫度感應器、聲音感應器、振動(dòng)感應器、壓力感應器、傳感器、終端、RFID標簽和讀寫(xiě)器、二維碼標簽和讀寫(xiě)器、傳感器網(wǎng)絡(luò )等各種類(lèi)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，該層能夠實(shí)現大范圍信息溝通，通過(guò)現在已經(jīng)存在的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )、互聯(lián)網(wǎng)等通信系統，將感知層得到的數據信息傳到地球各個(gè)地方，實(shí)現地球范圍內的遠距離通信。

　　應用層由各種應用服務(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)現物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用到各個(gè)行業(yè)中，滿(mǎn)足行業(yè)需求，實(shí)現行業(yè)的智能化。

　　基于物聯(lián)網(wǎng)的光纖傳感技術(shù)應用方案

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

　　1.在基礎設施工程物聯(lián)網(wǎng)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(guò)程中，經(jīng)常會(huì )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(zhù)人民的生命及財產(chǎn)安全，還影響了國民經(jīng)濟的快速穩定發(fā)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(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)相結合，形成一個(gè)“光纖物聯(lián)網(wǎng)”，實(shí)現對這些基礎設施的長(cháng)期穩定的實(shí)時(shí)監測，減少事故的發(fā)生。

　　2.在現代農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應用

　　物聯(lián)網(wǎng)及傳感技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了農業(yè)現代化技術(shù)的進(jìn)步。將傳感技術(shù)應用在農作物的育苗、生長(cháng)、收獲及儲藏等環(huán)節，并形成一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統，可以使農業(yè)的生產(chǎn)及管理達到高產(chǎn)、低耗的目的。

　　在農作物的育苗、生長(cháng)過(guò)程中，通過(guò)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(cháng)環(huán)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(jìn)行檢測，并實(shí)時(shí)反饋給管理中心，再經(jīng)過(guò)自動(dòng)控制裝置調節相應的參數，可使農作物有一個(gè)最佳的生長(cháng)環(huán)境，達到快速生長(cháng)及高產(chǎn)的目的。

　　此外，在農產(chǎn)品的加工及儲存過(guò)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(lái)獲取糧倉的環(huán)境信息并用來(lái)指導通風(fēng)翻曬等作業(yè)。對水果、蔬菜等的儲藏需要相應的光纖氣體傳感器來(lái)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(guò)物聯(lián)網(wǎng)系統反饋到監測中心，進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，且可以實(shí)現遠程控制。

　　3.在智能周界入侵防范系統中的應用

　　基于光纖傳感技術(shù)的周界入侵防范系統，是近年來(lái)隨著(zhù)光纖傳感技術(shù)的發(fā)展而在工業(yè)領(lǐng)域的一大應用亮點(diǎn)。目前，應用在周界入侵防范系統中的傳感器種類(lèi)繁多，因而系統的技術(shù)解決方案也大相徑庭，但總體上來(lái)說(shuō)，均是采用光纖周界入侵傳感器來(lái)感受外界侵擾情況，并及時(shí)報警，該項技術(shù)可以廣泛應用于機場(chǎng)、電站和軍事基地等重要場(chǎng)所。

　　4.其他應用

　　光纖傳感器由于具有抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，因此可以應用于電傳感器不易使用的場(chǎng)合，在國防上，光纖傳感器可用于水聲探潛（光纖水聽(tīng)器）、光纖制導、姿態(tài)控制、航天航空器的結構損傷探測以及戰場(chǎng)環(huán)境（電磁環(huán)境、生化環(huán)境等）的探測等；在電力系統中，可用于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(kāi)采過(guò)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(lián)網(wǎng)相結合，形成強大的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現安全生產(chǎn)和管理。

　　結束語(yǔ)

　　光纖傳感器以其多方面的優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到人們的關(guān)注，且已廣泛應用于國民生活的不同領(lǐng)域。傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的核心，隨著(zhù)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(lái)越大的作用。