光纤传感器在物联网关键技术中的应用

摘要：随着近年来光纤传感技术的发展，光纤传感器越来越多的应用于物联网中原始数据的采集。为了可以将光纤传感器更好的应用于物联网技术，文中在描述了物联网技术和光纤传感技术基本概念和理论的基础上，阐述了光纤传感器在石油工业、电力工业、建筑工程、军事安防和医疗领域的实际应用情况，最后提出了光纤传感器在物联网技术中的应用还需要解决造价高、产品集成化和实用化困难的问题。
关键词：光纤传感器；物联网；传感网络；技术

    随着现代科学技术的发展，光纤传感器技术迅速崛起，并越来越多的应用于日常生活的方方面面，大有取代电子传感器的趋势。在新兴的物联网技术推动下，如何将光纤传感器与物联网技术完美融合无疑将成为当今科学技术研究的热点问题。

1 物联网
1．1 物联网的概念
    笼统来说，物联网就是将各种信息传感设备与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。具体来说，物联网就是通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议把物品与互联网连接起来进行信息交换和通讯，从而实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
1．2 物联网的发展进程
    物联网本身并不是一个崭新的概念，已经拥有了十多年的历史。1995年比尔·盖茨在<未来之路》一书中提出了物联网的理念。1999年，麻省理工学院的自动识别技术中心(Auto-ID Center)的Ashton教授最先提出了“物联网”概念。2005年11月，国际电信联盟(ITU)发布了《TTU互联网报告2005：物联网》，使用了“物联网”的概念。2009年1月，在奥巴马总统与美国工商界领袖的圆桌会议上，IBM首席执行官彭明盛(Samuel Palmisano)提出了“智慧地球”(Smarter Planet)的概念。此时，物联网作为一种较为成熟的概念被提出。2010年3月5日，温家宝总理在<政府工作报告>中也提出：“加快物联网的研发应用。加大对战略性新兴产业的投入和政策支持。”目前，物联网技术已被列为国家五大新兴战略产业之一。
1．3 物联网的关键技术
    从物联网的概念可以看到，物联网技术涉及了现代电子技术、通信技术以及网络技术等诸多新技术，但其中的关键技术主要有：射频识别技术，它是一项利用射频信号实现无接触信息传递从而达到识别目的的技术；传感器技术，作为获取信息的关键器件，传感器是现代信息系统常用的信息采集工具；网络通信技术，物联网终究是一个网络，最基础的物物之间的感知和通信仍然是不可替代的关键技术。

2 光纤传感器
2．1 光纤传感器的结构
    光纤传感器主要由光源、光纤、敏感元件、光电探测器和信号处理系统等部分组成，由光源发出的光通过传输光纤到达敏感元件(传感头)，光的某一性质在此受被测量调制，已调制的光信号经光电探测器转变为电信号，最后经信号处理系统得到被测量，如图1所示。

2．2 光纤传感器的分类
    根据光纤在传感器中的作用，可分为功能型、非功能型和拾光型光纤传感器3大类。
    功能型光纤传感器中光纤既是导光介质也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制而发生变化。这类传感器的优点是结构紧凑、灵敏度高，但是需要特殊光纤和先进的检测技术，因此成本较高。
    非功能型光纤传感器中光纤仅仅起导光作用，光要照在非光纤型敏感元件上才会受被测量调制。这类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，因此比较容易实现且成本较低，但灵敏度也比较低，适用于对灵敏度要求不高的场合。目前，已实用化或尚在研制的光纤传感器大都是非功能型的。
    拾光型光纤传感器用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。
    在物联网技术中，目前应用较多的是非功能型光纤传感器。

3 光纤传感器与物联网技术的融合
3．1 传感网络
    传感网络是由众多传感器节点组成的有线或无线通信网络，节点密集分布在所关注的物或事物的内部或周围，实现对物的连接、感知和监控。物联网中的传感网技术主要包括无线传感网和光纤传感网。由于通信网络通常要求传感器长时间工作在长距离、大温差、高压、强磁场或者更加恶劣的自然环境中，光纤传感器因其重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、数据传输安全等诸多优点，既能同时探测光波的多种参数变化又能提高信号传输的安全性和稳定性，具备无线传感网不具有的优势。因此，在物联网的发展中提出了“光纤物联网”，即光纤传感与通信一体化网络。分布式光纤传感网因传输容量大、速度快，使光纤传感与通信一体化传输成为了现实。
3．2 光纤传感器在物联网中的应用
    光纤传感器目前可以直接或间接测量近百种物理量、化学量和生物量，主要应用在以下几个方面：
    1)石油工业
    在石油工业中，通常采用石油测井技术测量井下的温度、流量以及压力等物理量，通过对各物理量的分析实时的监测井下情况，并对可能出现的各种问题提前做出预判。在测量各物理量时，需要克服恶劣的环境因素包括高温、高压、强腐蚀和电磁干扰等。对于传统的电子传感器来说，克服这些因素十分困难或者需要更多额外的成本和技术投入，而光纤传感器凭借自身的特点就可以克服这些极端环境，又因为光纤传感器能够实现分布测量，因此在石油测井技术中具有广阔的应用前景。
    目前在石油测井技术中，可以利用光纤传感器实现井下石油流量、温度、压力和含水率等物理量的测量。现在较成熟的应用是采用非本征光纤F—P腔传感器测量井下的压力和温度。非本征光纤F-P腔传感器利用光的多光束干涉原理，当被测的温度或者压力发生变化时干涉条纹改变，光纤F—P腔的腔长也随之发生变化，通过计算腔长的变化实现温度和压力的测量，工作原理如图2所示。SLED光源发出的光耦合到多模光纤中，经耦合器和光纤传给传感头，F—P腔置于被测环境中，入射到F—P腔的信号经反射后再次通过光纤和耦合器传给微型光谱仪。计算机采集微型光谱仪的光谱经干涉解调计算出F-P腔的腔长，最后通过标定确定其对应的温度和压力。

    2)电力工业
    在电力系统中，为了能够及时发现系统可能出现的各种安全隐患，需要采取有效措施对系统内的各条线路和网络进行实时监测以维持系统的安全运行。由于系统通常工作在高电压、大电流的情况下，还有部分置于高空中，这些因素都为系统的监测带来了不便。光纤传感器因其具有较强的抗电磁干扰能力和较宽的工作频率可以在电力系统中用于电流、电压、温度等参数的测量。
    目前，用分布式光纤传感器测量高压电力线的温度已在国外得到广泛应用，在国内的研究也已经开始。在各种分布式光纤传感器中，基于布里渊时域反射(BOTDR)的分布式光纤传感器是一个重要的发展方向，其系统组成如图3所示。光源LD发出的光经AOM调制成脉冲信号后被EDFA放大，放大后的脉冲信号经光纤光栅滤波后耦合刭传感光纤，光纤的背向瑞利散射和布里渊散射经过耦合器输出到干涉仪，布里渊散射信号被提取出来后经PD监测再被放大器放大后用数字示波器显示采集到的波形信号，最后通过对波形的分析获得监测的参数变化。

    由于我国各地环境差异较大，在不同环境中光缆的性能也将受到不同程度的改变，而瑞利散射光基本不受外界环境中温度和应力的影响，这种基于BOTDR的分布式光纤传感器不能检测环境温度和应力对光纤性能的影响，因此这种传感器的应用也受到了一定的限制。采用相干检测技术的BOTDR传感系统测量的是光纤的自发布里渊散射信号，尽管其信号强度微弱，但可以通过相干检测提高系统信噪比，如图4所示。这种传感系统结构简单，实现方便，可以同时监测光纤断点、损耗、温度和应变等多个参数的变化。目前该系统已实现了距离30 km以上、温度分辨率4℃、应变分辨率100μs、空间分辨率20 m的温度和应变的同时测量，在只测量温度时，测量距离可达150 km。

    3)建筑工程
    在建筑工程中为确保工程质量和建设过程安全进行，通常需要在桥梁、大坝和楼宇的建设过程中采集多个监控点的数据信息，以此来分析当前工程的进行情况和可能出现的安全隐患。传统的测量方法一般采用表面贴片或者预埋钢弦式传感器实现监测点的应力、应变测试，由电阻应变片构成的贴片材料在混凝土中受基底材料和介质腐蚀的影响会导致测量精度下降且不利于分布监测和长期监测，钢弦式传感器的钢弦也会随时间的延长而损失测量精度，所以这些测试方法都不利于建筑工程的长期、精确观测。
    光纤传感器以其轻巧耐用、灵敏度高、抗电磁干扰和可实现分布式检测等优点，更加适合建筑工程中的应力、应变检测，其中光纤光栅传感器是最理想的灵敏元件。对于大型工程来说，目前主要的点式光纤传感测量技术需要在每个监测点安置一个光纤传感系统，除造价高外，对于问题部位不在传感点上的情况容易造成疏漏。南京大学工程管理学院张旭苹教授利用物联网的概念提出的“基于布里渊效应的连续分布式光纤传感技术”添补了这项技术在国内的空白。连续分布式光纤传感器可以进行连续的分布式测量，24小时监测工程的“健康状况”，并且可以精确定位隐患位置。
    4)军事安防
    在空防领域中，目前已经可以采用光纤陀螺构成战术导弹的惯性测量元件，主要测量导弹运行过程中的俯仰角、偏航角和横滚角，从而准确命中目标。美国首先采用光纤陀螺制导技术，在伊拉克等战场上已取得了较好的效果。日本已将光纤陀螺用于无人机，控制飞机的姿态。光纤陀螺的原理如图5所示。

    在海防领域中，光纤水听器是研究最早、发展最快的光纤传感器，由此构成的海防传感网络系统已开始用于海上边防和重要军事地区的海防警戒。光纤水听器的工作原理如图6所示。

    近几年由光纤传感技术发展而来的光纤网络安全警戒系统在边防和重点区域防卫中也得到了应用。目前，一些发达国家正在使用的安全防卫系统就是由激光和分布式光纤传感网络组成的。
    5)医疗系统
    在临床医学上，由于光纤传感器具有轻巧、柔软、绝缘、不受电磁干扰、测量精度高和可以非接触测量等优点，可实现用光纤内窥镜检查人体的各个部位，也可用于对人体血管的探测和人体外科校正等。目前，光纤内窥镜不仅用于医疗诊断领域，也用于息肉切除等手术治疗领域，光纤温度传感器在癌症治疗方面的研究和应用也日渐成熟。

4 结束语
    传感器作为物联网采集信息的终端工具，它的发展直接影响着物联网的发展。随着物联网技术的不断进步，光纤传感器也将更多的应用到社会生活的各个角落，如果在光纤传感技术与物联网技术融合的基础上能够解决造价高、集成化和实用化困难等问题，将具有更加广阔的应用前景。