高靈敏高速度，光纖傳感器的原理及應(yīng)用解析

　　隨著光纖及光纖通信技術(shù)的飛速發(fā)展，光纖傳感技術(shù)應(yīng)運而生。自誕生以來，光纖傳感器以其體積小、重量輕、靈敏度高、響應(yīng)速度快、抗電磁干擾能力強和使用方便等優(yōu)點迅速發(fā)展起來。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(xiàn)狀

　　1.光纖傳感器基本原理及分類

　　光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新型的傳感技術(shù)，當(dāng)光在光纖中傳播時，在外界溫度、壓力、位移、磁場、電場和轉(zhuǎn)動等因素作用下，通過光的反射、折射和吸收效應(yīng)，光學(xué)多普勒效應(yīng)、聲光、電光、磁光和彈光效應(yīng)等，可使光波的振幅、相位、偏振態(tài)和波長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。其基本原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入傳感頭（調(diào)制器），使待測量參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強度、波長、頻率、相位和偏振態(tài)等）發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號光，再經(jīng)過光纖送入光電探測器，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，最后經(jīng)過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。

　　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(dāng)被測量在光纖中傳輸時，光的強度、相位、頻率或偏振態(tài)等特性將發(fā)生變化，從而實現(xiàn)了調(diào)制的功能。然后再通過對被調(diào)制過的信號進(jìn)行解調(diào)，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(dǎo)光作用。與傳統(tǒng)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，因而被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如環(huán)境、橋梁、大壩、油田、臨床醫(yī)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(xiàn)狀

　　自光纖傳感器誕生以來，其優(yōu)越性及應(yīng)用廣泛性受到了世界各國的密切關(guān)注及高度重視，并對其展開了積極的研究及開發(fā)。目前，已經(jīng)實現(xiàn)了光纖傳感器對位移、壓力、溫度、速度、振動、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研究放在光纖傳感器系統(tǒng)、現(xiàn)代數(shù)字光纖控制系統(tǒng)、光纖陀螺、核輻射監(jiān)控、飛機發(fā)動機監(jiān)控和民用計劃等6個方面，并取得了一定的成就。

　　我國光纖傳感器的研究工作開始于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)院教授張旭蘋發(fā)明的“基于布里淵效應(yīng)的連續(xù)分布式光纖傳感技術(shù)”通過了教育部組織的專家鑒定。鑒定專家組一致認(rèn)為，此項技術(shù)創(chuàng)新性強，擁有多項自主知識產(chǎn)權(quán)，技術(shù)上達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平，具有良好的應(yīng)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(chǔ)上利用RFID（無線射頻識別）技術(shù)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)以及激光掃描器等信息傳感設(shè)備將物品與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，實現(xiàn)信息交換和通信，從而實現(xiàn)智能化定位、智能化識別、跟蹤、監(jiān)控和管理的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)包括3個層面：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)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(shù)據(jù)信息，主要由溫度感應(yīng)器、聲音感應(yīng)器、振動感應(yīng)器、壓力感應(yīng)器、傳感器、終端、RFID標(biāo)簽和讀寫器、二維碼標(biāo)簽和讀寫器、傳感器網(wǎng)絡(luò)等各種類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?qū)崿F(xiàn)大范圍信息溝通，通過現(xiàn)在已經(jīng)存在的移動網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)等通信系統(tǒng)，將感知層得到的數(shù)據(jù)信息傳到地球各個地方，實現(xiàn)地球范圍內(nèi)的遠(yuǎn)距離通信。

　　應(yīng)用層由各種應(yīng)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，可以實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到各個行業(yè)中，滿足行業(yè)需求，實現(xiàn)行業(yè)的智能化。

　　基于物聯(lián)網(wǎng)的光纖傳感技術(shù)應(yīng)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感知各種各樣的環(huán)境參數(shù)，為物聯(lián)網(wǎng)提供最原始的數(shù)據(jù)信息，然后通過處理得到人們所需要的結(jié)果，因此傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的核心。

　　1.在基礎(chǔ)設(shè)施工程物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

　　在公路、橋梁、隧道和建筑等重大工程建設(shè)及使用過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)隧道局部坍塌、滲漏以及火災(zāi)，橋梁局部裂縫、崩塌等現(xiàn)象，不僅嚴(yán)重威脅著人民的生命及財產(chǎn)安全，還影響了國民經(jīng)濟的快速穩(wěn)定發(fā)展。將光纖傳感器嵌于這些建筑物或者公共設(shè)施內(nèi)部，可以感受橋梁的結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)動態(tài)特性及交通荷載等狀況，同時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(jié)合，形成一個“光纖物聯(lián)網(wǎng)”，實現(xiàn)對這些基礎(chǔ)設(shè)施的長期穩(wěn)定的實時監(jiān)測，減少事故的發(fā)生。

　　2.在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

　　物聯(lián)網(wǎng)及傳感技術(shù)的發(fā)展推動了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)的進(jìn)步。將傳感技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)作物的育苗、生長、收獲及儲藏等環(huán)節(jié)，并形成一個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可以使農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)及管理達(dá)到高產(chǎn)、低耗的目的。

　　在農(nóng)作物的育苗、生長過程中，通過光纖溫度傳感器、光纖濕度傳感器及光纖二氧化碳傳感器等對農(nóng)作物生長環(huán)境中的溫度、相對濕度、光照強度、土壤中的養(yǎng)分、ＰＨ值及二氧化碳濃度等物理量進(jìn)行檢測，并實時反饋給管理中心，再經(jīng)過自動控制裝置調(diào)節(jié)相應(yīng)的參數(shù)，可使農(nóng)作物有一個最佳的生長環(huán)境，達(dá)到快速生長及高產(chǎn)的目的。

　　此外，在農(nóng)產(chǎn)品的加工及儲存過程中，同樣也可以利用光纖溫度傳感器及光纖濕度傳感器來獲取糧倉的環(huán)境信息并用來指導(dǎo)通風(fēng)翻曬等作業(yè)。對水果、蔬菜等的儲藏需要相應(yīng)的光纖氣體傳感器來測量乙烯、氧、二氧化碳、氨、氟利昂等氣體的濃度。這些信息可以通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)反饋到監(jiān)測中心，進(jìn)行實時監(jiān)控，且可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

　　3.在智能周界入侵防范系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　基于光纖傳感技術(shù)的周界入侵防范系統(tǒng)，是近年來隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展而在工業(yè)領(lǐng)域的一大應(yīng)用亮點。目前，應(yīng)用在周界入侵防范系統(tǒng)中的傳感器種類繁多，因而系統(tǒng)的技術(shù)解決方案也大相徑庭，但總體上來說，均是采用光纖周界入侵傳感器來感受外界侵?jǐn)_情況，并及時報警，該項技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于機場、電站和軍事基地等重要場所。

　　4.其他應(yīng)用

　　光纖傳感器由于具有抗電磁干擾等優(yōu)點，因此可以應(yīng)用于電傳感器不易使用的場合，在國防上，光纖傳感器可用于水聲探潛（光纖水聽器）、光纖制導(dǎo)、姿態(tài)控制、航天航空器的結(jié)構(gòu)損傷探測以及戰(zhàn)場環(huán)境（電磁環(huán)境、生化環(huán)境等）的探測等；在電力系統(tǒng)中，可用于測量大型電機的轉(zhuǎn)子、定子和高壓變壓器內(nèi)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采過程中井下的壓力、溫度等參數(shù)的監(jiān)測、輸油管的泄漏監(jiān)測等，這些均可以與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，形成強大的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)安全生產(chǎn)和管理。

　　結(jié)束語

　　光纖傳感器以其多方面的優(yōu)點越來越受到人們的關(guān)注，且已廣泛應(yīng)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(jié)合將成為人們關(guān)注的焦點，且在人們的生產(chǎn)和生活中將發(fā)揮越來越大的作用。