1.光纖傳感器基本原理及分類

　　

光纖傳感技術是20世紀70年代發(fā)展起來的一種新型的傳感技術，當光在光纖中傳播時，在外界溫度、壓力、位移、磁場、電場和轉動等因素作用下，通過光的反射、折射和吸收效應，光學多普勒效應、聲光、電光、磁光和彈光效應等，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過光纖送入傳感頭（調制器），使待測量參數(shù)與進入調制區(qū)的光相互作用后，導致光的光學性質（如光的強度、波長、頻率、相位和偏振態(tài)等）發(fā)生變化，成為被調制的信號光，再經過光纖送入光電探測器，將光信號轉化為電信號，最后經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)了調制的功能。然后再通過對被調制過的信號進行解調，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，即光纖只起導光作用。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，因而被廣泛應用于各個領域，如環(huán)境、橋梁、大壩、油田、臨床醫(yī)學檢測和食品安全檢測等領域。

　　

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)越性及應用廣泛性受到了世界各國的密切關注及高度重視，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、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得到了飛速發(fā)展。2010年南京大學工程管理學院教授張旭蘋發(fā)明的"基于布里淵效應的連續(xù)分布式光纖傳感技術"通過了教育部組織的專家鑒定。鑒定專家組一致認為，此項技術創(chuàng)新性強，擁有多項自主知識產權，技術上達到了國內領先、國際先進水平，具有良好的應用前景。這一技術的本質是運用了物聯(lián)網概念，該技術填補了我國物聯(lián)網空白。

　　

　　

物聯(lián)網的概念是1999年提出的，其英文名稱為"TheInternetofThings"，即"物物相連的網絡"。物聯(lián)網是在互聯(lián)網的基礎上利用RFID（無線射頻識別）技術、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)以及激光掃描器等信息傳感設備將物品與互聯(lián)網進行連接，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)控和管理的網絡。物聯(lián)網的技術架構包括3個層面：感知層、網絡層和應用層。

　　

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，主要由溫度感應器、聲音感應器、振動感應器、壓力感應器、傳感器、終端、RFID標簽和讀寫器、二維碼標簽和讀寫器、傳感器網絡等各種類型的采集和控制模塊組成。

　　

網絡層分為接入層和承載網絡兩部分，該層能夠實現(xiàn)大范圍信息溝通，通過現(xiàn)在已經存在的移動網絡、互聯(lián)網等通信系統(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)地球范圍內的遠距離通信。

　　

應用層由各種應用服務器組成，該層的主要任務是在感知層和網絡層的工作完成之后匯總獲得的所有關于物品的信息，然后對信息進行再加工，進一步提高信息的綜合利用度。該層是物聯(lián)網與各種行業(yè)的橋梁，可以實現(xiàn)物聯(lián)網技術應用到各個行業(yè)中，滿足行業(yè)需求，實現(xiàn)行業(yè)的智能化。

 

 

　　

由上述物聯(lián)網的基本知識可知，在物聯(lián)網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果，因此傳感器是物聯(lián)網的核心。

　　

1.在基礎設施工程物聯(lián)網中的應用

　　

在公路、橋梁、隧道和建筑等重大工程建設及使用過程中，經常會出現(xiàn)隧道局部坍塌、滲漏以及火災，橋梁局部裂縫、崩塌等現(xiàn)象，不僅嚴重威脅著人民的生命及財產安全，還影響了國民經濟的快速穩(wěn)定發(fā)展。將光纖傳感器嵌于這些建筑物或者公共設施內部，可以感受橋梁的結構變形、結構動態(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)網相結合，形成一個"光纖物聯(lián)網"，實現(xiàn)對這些基礎設施的長期穩(wěn)定的實時監(jiān)測，減少事故的發(fā)生。

　　

2.在現(xiàn)代農業(yè)物聯(lián)網中的應用

　　

物聯(lián)網及傳感技術的發(fā)展推動了農業(yè)現(xiàn)代化技術的進步。將傳感技術應用在農作物的育苗、生長、收獲及儲藏等環(huán)節(jié)，并形成一個物聯(lián)網系統(tǒng)，可以使農業(yè)的生產及管理達到高產、低耗的目的。

　　

在農作物的育苗、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行檢測，并實時反饋給管理中心，再經過自動控制裝置調節(jié)相應的參數(shù)，可使農作物有一個最佳的生長環(huán)境，達到快速生長及高產的目的。

　　

此外，在農產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)境信息并用來指導通風翻曬等作業(yè)。對水果、蔬菜等的儲藏需要相應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)網系統(tǒng)反饋到監(jiān)測中心，進行實時監(jiān)控，且可以實現(xiàn)遠程控制。

 

 

3.在智能周界入侵防范系統(tǒng)中的應用

　　

基于光纖傳感技術的周界入侵防范系統(tǒng)，是近年來隨著光纖傳感技術的發(fā)展而在工業(yè)領域的一大應用亮點。目前，應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擾情況，并及時報警，該項技術可以廣泛應用于機場、電站和軍事基地等重要場所。

　　

4.其他應用

　　

光纖傳感器由于具有抗電磁干擾等優(yōu)點，因此可以應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、姿態(tài)控制、航天航空器的結構損傷探測以及戰(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子、定子和高壓變壓器內部的電流、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)網相結合，形成強大的物聯(lián)網絡，實現(xiàn)安全生產和管理。

　　

　　

光纖傳感器以其多方面的優(yōu)點越來越受到人們的關注，且已廣泛應用于國民生活的不同領域。傳感器是物聯(lián)網的核心，隨著傳感技術及物聯(lián)網的快速發(fā)展，光纖傳感技術與物聯(lián)網的緊密結合將成為人們關注的焦點，且在人們的生產和生活中將發(fā)揮越來越大的作用。