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光纤传感器在物联网关键技术中的应用(2)

光纤传感器在物联网关键技术中的应用(2)

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。
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