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光纤传感器在物联网关键技术中的应用

光纤传感器在物联网关键技术中的应用

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。

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。





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