基于物联网应用的光纤传感技术研究

由丽 河北工业职业技术学院 刘芳 中国电子科技集团公司第三十四研究所

引言

物联网在互联网基础上在近年来得到了飞速发展，作为拓宽互联网形成的新型网络，运用了大数据、云计算技术实现了信息沟通，所以在目前的现代坏细腻系技术中起到至关重要的引导作用。而近些年光纤、光纤通信技术更是获得很大进展，光纤传感技术随之运用而生，以其小体积、轻重量、高灵敏、响应快、强抗干扰、使用便捷等多方面优势，被广泛运用于我国的各行业领域。尤其在物联网这一新型网络中更是飞速发展，所以光纤传感技术的地位更是不可忽视。本文将对基于物联网应用的光纤传感技术展开研究，对于该技术的推广运用及创新具有现实指导意义。

1 光纤传感器及物联网基本原理概述

1.1 光纤传感器

上世纪70 年代提出了一种新型传感技术，即光纤传感技术。光在光纤内传播，会受外界压力、温度、电磁场或位移、转动等影响作用，产生光反射、吸收或折射效应，光学多普勒、声、电、磁等效应，从而直接或间接的改变光波的相位、振幅、波长、偏振态，也由此可以视光纤作为敏感元件，用来完成对各种物理量的测量。

光纤传感器主要包括了光源、传输光纤、光电探测器、信号处理部分（见图1），其原理是经光纤将光源的光，送至调制器也就是传感头内，让待测量的物理量参数能够作用于进入的光，从而改变光的化学性质，形成被调制所得的信号光，再经光纤向光电探测器内送入光信号，转变可得电信号并加以处理后，即可还原所要测量的物理量。目前光纤传感器有较多种类，包括了传感型传感器（功能型）、传光型传感器（非功能型）。

图1 光纤传感器构成

1.2 物联网

目前学术界对物联网的基本概念界定为：经红外感应器、全球定位系统、射频识别、激光扫描器多种信息传感设备，与有关规定结合能够实现互联网与任何物品相联，达到的更简易信息交换通讯，并实现智能化识别、跟踪、定位、监管的新型网络。从另一方面来将物联网能够实现，无论身处任何时空都可以经通信连接人、物品的网络。

物联网主要包括了感知层、应用层、网络层三大体系结构组成，感知层主要用于感知智能化，采集信息或识别物体并抓获关键信息的一系列活动。网络层主要对信息进行传输通信，应用层即各类应用包括了工业监控、智能电网、绿色农业等。

2 光纤传感器在物联网发展现状问题

2.1 光纤传感器发展现状

自光纤传感器技术诞生应用至今，便具有较大优越性被广泛运用这一特点，引起了国际间各个国家地区的重视和关注，并对光纤传感器技术展开深入的开发研究。现如今在国际研究界已经对光纤传感器，完成了压力、位移、速度、温度、液位、振动、角度高达七十多种的物理量测量。在英、美、德、日等国家，还对光纤传感器技术展开更多现代化研究，譬如在数字光纤控制系统、光纤传感器系统、飞机发动机监控、光纤陀螺多领域均获得成熟研究结论。我国于1983 年展开对光纤传感器的系列研究，部分科研院校及技术公司、高校对光纤传感器的研究，推进了光纤传感器在我国的应用发展。在物联网内传感器作为至关重要不可缺少的组成，所以传感器性能会直接对物联网性能造成影响。基于本质层面来讲物联网主要经传感器完成信息收集，所以传感器作为获取信息的关键源头，所搜集信息的准确性会对节点处理造成直接影响，还会对信息传递产生影响。所以可以发现传感器的运行稳定可靠，对于物联网来讲十分关键且作用重大。

2.2 光纤传感器技术问题

对于物联网在发展进程中计算机技术、通信技术都占据至关重要的地位，传感器技术则处于较差位置，主要由于传感器技术目前存在较多问题，以下方面为主要表现：

第一，我国对于光纤传感器技术还尚未给予足够支持，且呈分散化管理，再加上对传感器缺少推进力度，相较通信、计算机产业比较落后；

第二，目前光纤传感技术缺乏充分的核心技术，并且光纤传感技术缺乏创新能力，未开发新器件和新技术原理，研究界也未深入研究传感器基础理论，结构材料特性、建立数学模型、仿真工艺研究等，因此目前我国传感器技术较国外仍然比较落后；

第三，目前还未解决共性关键技术问题，其中涉及了设计、可靠性、装备、封装各项技术；

第四，规格、品种及系列不够全面，有关技术也尚未得到我国明文规定的指标标准，因此无法形成系列传感器产品。

总结来讲传感器技术对于物联网发展造成直接影响，未来几年在物联网飞速发展背景下，必须要推进传感器技术的发展，如若不能我国将会在传感器市场被国外先进国家侵占，造成巨大的经济损失。

3 光纤传感技术应用于物联网

基于以上光纤传感器技术、物联网基础知识及现状可以了解到，物联网内应当运用大量传感器设备，完成对不同环境参数的感知搜集及传输，从而提供原始数据信息所得针对性信息。所以对于物联网来讲传感器作为核心组成，基于物联网光纤传感技术的应用（见图2）。目前在我国应用光纤传感器技术中，主要以下四种比较常用：一是光纤陀螺，此种光纤传感器技术又可以划分为干涉型、谐振型、布里渊型；二是光纤水听器，此种传感器技术基于光电子、光纤技术实现，能够对水下信号准确感知，从而转变形成光信号经光纤传输至信号处理系统最终可获声音信号；三是光纤光栅传感器，该类型光纤传感器技术在近年来得到了飞速发展，包括了压力、温度传感器产品。其中在近年来对该类型光纤传感器技术的研究热点，以光纤Bragg 光栅传感器为主，主要以光强型、干涉型为主但是在应用中各有利弊；四是电流传感器，随着市场经济的飞速发展，电力行业也得到较快发展，所以对电流在测量过程中尤其对部分大电流情况，应当运用电流传感器完成测量，由此预防较强电流引发安全事故。

图2 基于物联网光纤传感技术应用

3.1 建设工程物联网

随着现代化建设进程的逐步加快，我国工程项目建设数量也逐渐增加，在桥梁、公路、路桥、隧道等重大建筑工程项目进行或使用中，极易发生裂缝、渗漏、局部坍塌、火灾甚至崩塌等情况，这些不仅会对人们的生命财产安全造成严重威胁，甚至还对我国的经济发展产生影响。所以通过应用光纤传感器嵌入至建筑物或设施内部，能够对桥梁结构变形、结构变化、交通荷载等情况实时感受，并且在张力传感器技术作用下，对极易出现安全事故的局部变形情况实时感受，并且该类信息能够结合互联网，构成光纤物联网，从而长期实时监测基础设施的使用情况，最大限度对事故及时预防或减少。另外钢筋混凝土作为建筑领域应用较多的重要材料，应用光纤传感器技术可以在混凝土结构内埋入光纤材料，从而实现对混凝土热应力的测量。并在混凝土凝固情况下，可能由于水化作用所致出现温度梯度，光纤传感器即可以监测热应力内部温度变化，从而更精准的控制混凝土冷却速度。除此之外岩土工程应用光纤传感器技术监测，可以突破复杂环境、长时效、环境制约等多因素局限，运用光纤传感技术能够发挥其小体积、快反应、轻重量、不导电及抗腐蚀特点，检测岩土力学工程。

3.2 农业互联网

我国作为国际间位居前列的农业大国，约有一半人数都在农村，所以我国的农村发展对综合国力经济发展十分关键。物联网、传感器技术的不断创新发展，也对我国农业实现现代化进程起推动作用。通过在农作物育苗、生长、储藏及收获多环节中运用传感器技术，能够形成物联网系统从而实时高效的管理农业，最终实现低耗高产农业预期目标。对于农作物秧苗生长过程中，可以运用光纤温度、湿度、二氧化碳这三类传感器技术，实时搜集农作物秧苗在生长中，所处的生长环境温、湿度、光照、土壤养分、PH 值、二氧化碳浓度多物理值，并向管理中心反馈所搜集检测得出的物理量，并经自动控制装置对应参数加以调节，确保农作物的生长环境始终最佳化。除此之外在加工存储农产品时，同样可以运用光纤温度、湿度传感器技术，对粮仓的内部环境情况实时获取，作为通风翻晒作业的指导依据。并且在储藏瓜果蔬菜时，同样需要借助光纤气体传感器技术，对储藏环境中的氧、乙烯、二氧化碳、氟利昂、氨多种气体浓度加以测量。并经物联网系统向监测中心实现信息反馈，并完成信息实时远程监控。

3.3 周界入侵防范系统

随着我国现代化技术的飞速发展，光纤传感技术也逐渐拓宽至各领域发展应用，在周界入侵防范系统中，常用传感器类型多样，所以也形成了针对性的差异化解决方案。以传感器技术本质来说，借助光纤周界入侵传感器，所得部分外界干扰类信息最终发出警报，因此该类传感器技术也愈来愈广泛应用，譬如在电站、机场、以及军事基地领域中，都获得飞速发展。

3.4 其他应用

光纤传感器由于具备强抗电磁干扰的技术优势，所以能够将电传感器中应用光纤传感器技术，在多种不易使用场合加以运用。譬如国防领域可以在水声探潜中应用光纤传感器，以及光纤制导、姿态控制，以及航天航空器的内部结构损伤探测，对电磁、生化战场环境的实时信息探测等领域。以及电力系统中，能够使用对大型电机转子、定子、高压变压器内部温度、电流及电压信息的实时测量工作中。除此之外对于开采油气田时，井下压力、温度以及输油管泄露测量工作，同样可以应用光纤传感器，实时掌握井下相关参数。总之通过实现互联网与光纤传感器的有效结合，即形成强大物联网达到安全生产管理。

4 结束语

在目前社会发展中光纤传感器以其自身各类优点，得到人们愈来愈多的重视关注度，并在社会生活的多领域譬如在建设工程、农业、周界入侵防范等物联网中都得以广泛运用。总之对于物联网来讲传感器作为核心技术组成，随着我国科学技术水平的不断创新，传感技术及物联网也会随之创新发展，实现光纤传感器技术结合物联网，能够为人类社会生产生活发挥重大作用。