光纤传感物联网技术与应用.doc

物联网以及光纤传感技术在其中的应用随着科学技术的不断进步, 为了达到实时控制、精确管理、科学决策的目的, 人们对事物的感知、控制的要求越来越高。在通信技术与互联网技术飞速发展的带动下, 物联网应运而生, 将成为继计算机互联网与移动通信之后的又一次信息革命。 我国早在1999 年就开始了物联网的基础传感网的研究。中科院在该年度将传感网的研究列入了知识创新工程， 启动了传感网的研究， 只是由于当时的条件，该研究仅限于特定用途的军用传感网。国内物联网的真正兴起，是源于温家宝总理2009 年8 月在无锡视察中科院无锡微纳传感网工程技术研发中心时，对该中心予以高度关注，指出：“在传感网发展中，要尽早一点谋划未来，早一点攻破核心技术”， “在国家重大专项中，加快推进传感网发展 。指出要尽快突破核心技术，把传感技术和TD 的发展结合起来，建设感知中国中心”。自此，物联网在中国社会受到了极大关注，被列入国家五大新兴战略产业之一。物联网的技术构成如图1所示, 主要包括四个层次: a. 传感网络, 它是由众多传感器节点组成的有线或无线通信网络, 节点密集部署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; b. 数据传输网络, 通过现有的互联网、无线通信网或者一些专用的通信网络, 实现传感网探测数据和控制信息的控制与分发; c. 数据处理技术, 主要涉及数据的海量存储与管理、云计算、数据模型表示和智能化处理等; d. 用户与应用接口, 包括计算机和手机等终端设备。在这四个层面上, 物联网的主要研究内容是: a. 总体技术的研究, 研究如何建立物联网的顶层架构, 制定相关的标准体系, 引导和规范物联网的技术研究工作, 从技术的最高层次规划物联网的整体布局; 做好顶层设计, 满足产业需要, 形成技术创新标准和知识产权协调互动机制。b. 传感网络技术研究, 利用新工艺、新材料、新方法研究智能传感器、RFID、嵌入式软硬件等传感技术, 建立传感节点的技术标准体系, 研究传感节点同传感网络的集成技术、网络安全技术、定位跟踪技术、动态组网技术等。c. 数据传输与处理技术, 开展对物联网各种传感数据的编码、汇集、融合传输技术, 海量数据存储技术以及云计算技术的研究。物联网是信息化发展的一个新阶段, 是人、机、物高度结合的产物, 物联网时代的来临, 将使物品和服务功能都发生质的飞跃, 这些新的功能将给使用者带来进一步的效率、便利和安全。图1 物联网的结构层次在物联网中要用到各种各样的大量的传感器。传感器可用于感知各种各样的环境参数, 如温度、重力、光电、声音、位移、振动等, 为物联网提供最原始的数据信息, 经过处理后为人们提供服务。随着通信技术的飞速发展, 光纤传感器迅速崛起, 其集成了光纤技术、激光技术和光电探测等多领域所取得的巨大成就, 以其体积小、重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、数据传输安全、集传输传感合二为一、便于构成分布式传感网络等诸多优点, 在物联网这一新技术革命的推动下, 正在越来越广泛应用于国民经济和人们日常生活的各个领域, 大有取代电子传感器之势。光纤传感系统主要由光源、传输光纤、探测器与信号处理部分等组成, 如图2所示。光源发出的光经过光纤传输至传感头( 传感头实际上就是一个调制器) , 当光通过传感头时, 根据光纤传感器的设计不同, 外部被测物理量对光的相位、强度、波长、偏振态等一个或多个参数进行调制。调制信号光经光纤传输至光电探测器后转化为电信号, 经过信号处理后还原出被测物理量。图2 光纤传感器的基本构成光纤传感器的种类非常多, 根据光纤在传感器中所起的作用, 可以分为本征型( 又称为传感型、内作用型) 光纤传感器和非本征型( 或称传光型、外作用型) 光纤传感器。本征型光纤传感器主要利用光纤本身对外界信息的光敏感效应, 即外界环境因素( 如温度、压力、声音、电场等) 的变化导致光纤传输属性( 如强度、相位、偏振等) 随之发生变化。通过检测光纤传输属性的变化, 就可以测量外部环境因素的变化。非本征型光纤传感器中的光纤仅仅起光的传输作用, 需要依靠其它对光纤中传输的光进行调制的敏感元件, 才能感知外部环境因素的变化。光纤传感器目前可以直接或间接测量近百种物理量以及化学和生物量, 被广泛应用于国防、电力、石油、建筑、医学等各个领域。在国防上, 光纤传感器可用于水声探潜( 光纤水听器) 、光纤制导、姿态控制、航天航空器的结构损伤探测( 智能蒙皮) 以及战场环境( 电磁环境、生化环境等) 的探测等。在电力系统中, 高电压、大电流的恶劣电磁环境使得电子类传感器的应用受到限制, 而光纤传感器以其特有的抗电磁干扰能力, 在电力系统中可用于测量大型电机的转子、定子和高压变压器内部的电流、电压、温利于提高特种微型光缆外护层的固化度, 但超过一定范围对提高固化度作用不大。在储存过程中, 一定时间内由于暗反应会引起特种微型光缆外护层固化度的进一步提高, 但此后由于残存的链自