光纖傳感器在物聯網關鍵技術中的應用

王鵬宇

（天津理工大學 中環信息學院，天津 300380）

隨著現代科學技術的發展，光纖傳感器技術迅速崛起，并越來越多的應用于日常生活的方方面面，大有取代電子傳感器的趨勢。在新興的物聯網技術推動下，如何將光纖傳感器與物聯網技術完美融合無疑將成為當今科學技術研究的熱點問題。

1 物聯網

1.1 物聯網的概念

籠統來說，物聯網就是將各種信息傳感設備與互聯網結合起來而形成的一個巨大網絡。具體來說，物聯網就是通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議把物品與互聯網連接起來進行信息交換和通訊，從而實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡[1]。

1.2 物聯網的發展進程

物聯網本身并不是一個嶄新的概念，已經擁有了十多年的歷史。1995年比爾·蓋茨在《未來之路》一書中提出了物聯網的理念[2]。1999年，麻省理工學院的自動識別技術中心（Auto-ID Center）的 Ashton教授最先提出了“物聯網”概念。2005年11月，國際電信聯盟（ITU）發布了《ITU互聯網報告2005：物聯網》，使用了“物聯網”的概念[3]。 2009年 1月，在奧巴馬總統與美國工商界領袖的圓桌會議上，IBM首席執行官彭明盛 （Samuel Palmisano） 提出了 “智慧地球”（Smarter Planet）的概念。此時，物聯網作為一種較為成熟的概念被提出。2010年3月5日，溫家寶總理在《政府工作報告》中也提出[4]：“加快物聯網的研發應用。加大對戰略性新興產業的投入和政策支持。”目前，物聯網技術已被列為國家五大新興戰略產業之一。

1.3 物聯網的關鍵技術

從物聯網的概念可以看到，物聯網技術涉及了現代電子技術、通信技術以及網絡技術等諸多新技術，但其中的關鍵技術主要有：射頻識別技術，它是一項利用射頻信號實現無接觸信息傳遞從而達到識別目的的技術；傳感器技術，作為獲取信息的關鍵器件，傳感器是現代信息系統常用的信息采集工具；網絡通信技術，物聯網終究是一個網絡，最基礎的物物之間的感知和通信仍然是不可替代的關鍵技術。

2 光纖傳感器

2.1 光纖傳感器的結構

光纖傳感器主要由光源、光纖、敏感元件、光電探測器和信號處理系統等部分組成，由光源發出的光通過傳輸光纖到達敏感元件（傳感頭），光的某一性質在此受被測量調制，已調制的光信號經光電探測器轉變為電信號，最后經信號處理系統得到被測量，如圖1所示[5]。

圖1 光纖傳感器的結構Fig.1 Optical fiber sensor structure

2.2 光纖傳感器的分類

根據光纖在傳感器中的作用，可分為功能型、非功能型和拾光型光纖傳感器3大類。

功能型光纖傳感器中光纖既是導光介質也是敏感元件，光在光纖內受被測量調制而發生變化。這類傳感器的優點是結構緊湊、靈敏度高，但是需要特殊光纖和先進的檢測技術，因此成本較高。

非功能型光纖傳感器中光纖僅僅起導光作用，光要照在非光纖型敏感元件上才會受被測量調制。這類光纖傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術，因此比較容易實現且成本較低，但靈敏度也比較低，適用于對靈敏度要求不高的場合。目前，已實用化或尚在研制的光纖傳感器大都是非功能型的。

拾光型光纖傳感器用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。

在物聯網技術中，目前應用較多的是非功能型光纖傳感器。

3 光纖傳感器與物聯網技術的融合

3.1 傳感網絡

傳感網絡是由眾多傳感器節點組成的有線或無線通信網絡，節點密集分布在所關注的物或事物的內部或周圍，實現對物的連接、感知和監控。物聯網中的傳感網技術主要包括無線傳感網和光纖傳感網。由于通信網絡通常要求傳感器長時間工作在長距離、大溫差、高壓、強磁場或者更加惡劣的自然環境中，光纖傳感器因其重量輕、靈敏度高、抗電磁干擾能力強、數據傳輸安全等諸多優點，既能同時探測光波的多種參數變化又能提高信號傳輸的安全性和穩定性，具備無線傳感網不具有的優勢。因此，在物聯網的發展中提出了“光纖物聯網”，即光纖傳感與通信一體化網絡。分布式光纖傳感網因傳輸容量大、速度快，使光纖傳感與通信一體化傳輸成為了現實。

3.2 光纖傳感器在物聯網中的應用

光纖傳感器目前可以直接或間接測量近百種物理量、化學量和生物量，主要應用在以下幾個方面：

1）石油工業

在石油工業中，通常采用石油測井技術測量井下的溫度、流量以及壓力等物理量，通過對各物理量的分析實時的監測井下情況，并對可能出現的各種問題提前做出預判。在測量各物理量時，需要克服惡劣的環境因素包括高溫、高壓、強腐蝕和電磁干擾等。對于傳統的電子傳感器來說，克服這些因素十分困難或者需要更多額外的成本和技術投入，而光纖傳感器憑借自身的特點就可以克服這些極端環境，又因為光纖傳感器能夠實現分布測量，因此在石油測井技術中具有廣闊的應用前景。

目前在石油測井技術中，可以利用光纖傳感器實現井下石油流量、溫度、壓力和含水率等物理量的測量。現在較成熟的應用是采用非本征光纖F-P腔傳感器測量井下的壓力和溫度。非本征光纖F-P腔傳感器利用光的多光束干涉原理，當被測的溫度或者壓力發生變化時干涉條紋改變，光纖F-P腔的腔長也隨之發生變化，通過計算腔長的變化實現溫度和壓力的測量，工作原理如圖2所示[6]。SLED光源發出的光耦合到多模光纖中，經耦合器和光纖傳給傳感頭，F-P腔置于被測環境中，入射到F-P腔的信號經反射后再次通過光纖和耦合器傳給微型光譜儀。計算機采集微型光譜儀的光譜經干涉解調計算出F-P腔的腔長，最后通過標定確定其對應的溫度和壓力。

圖2 非本征F-P腔型光纖傳感系統原理圖Fig.2 Principle of optical fiber extrinsic Fabry-Perotinterferometric sensor system

2）電力工業

在電力系統中，為了能夠及時發現系統可能出現的各種安全隱患，需要采取有效措施對系統內的各條線路和網絡進行實時監測以維持系統的安全運行。由于系統通常工作在高電壓、大電流的情況下，還有部分置于高空中，這些因素都為系統的監測帶來了不便。光纖傳感器因其具有較強的抗電磁干擾能力和較寬的工作頻率可以在電力系統中用于電流、電壓、溫度等參數的測量。

圖3 布里淵光時域散射測量系統Fig.3 Measurement system of Brillouin optical time-domain scattering

目前，用分布式光纖傳感器測量高壓電力線的溫度已在國外得到廣泛應用，在國內的研究也已經開始。在各種分布式光纖傳感器中，基于布里淵時域反射（BOTDR）的分布式光纖傳感器是一個重要的發展方向，其系統組成如圖3所示[7]。光源LD發出的光經AOM調制成脈沖信號后被EDFA放大，放大后的脈沖信號經光纖光柵濾波后耦合到傳感光纖，光纖的背向瑞利散射和布里淵散射經過耦合器輸出到干涉儀，布里淵散射信號被提取出來后經PD監測再被放大器放大后用數字示波器顯示采集到的波形信號，最后通過對波形的分析獲得監測的參數變化。

由于我國各地環境差異較大，在不同環境中光纜的性能也將受到不同程度的改變，而瑞利散射光基本不受外界環境中溫度和應力的影響，這種基于BOTDR的分布式光纖傳感器不能檢測環境溫度和應力對光纖性能的影響，因此這種傳感器的應用也受到了一定的限制。采用相干檢測技術的BOTDR傳感系統測量的是光纖的自發布里淵散射信號，盡管其信號強度微弱，但可以通過相干檢測提高系統信噪比，如圖4所示。這種傳感系統結構簡單，實現方便，可以同時監測光纖斷點、損耗、溫度和應變等多個參數的變化。目前該系統已實現了距離30 km以上、溫度分辨率4℃、應變分辨率100 με、空間分辨率20 m的溫度和應變的同時測量，在只測量溫度時，測量距離可達150 km[8]。

圖4 相干BOTDR傳感系統原理Fig.4 Principle of BOTDR sensing system with coherent detection

3）建筑工程

在建筑工程中為確保工程質量和建設過程安全進行，通常需要在橋梁、大壩和樓宇的建設過程中采集多個監控點的數據信息，以此來分析當前工程的進行情況和可能出現的安全隱患。傳統的測量方法一般采用表面貼片或者預埋鋼弦式傳感器實現監測點的應力、應變測試，由電阻應變片構成的貼片材料在混凝土中受基底材料和介質腐蝕的影響會導致測量精度下降且不利于分布監測和長期監測，鋼弦式傳感器的鋼弦也會隨時間的延長而損失測量精度，所以這些測試方法都不利于建筑工程的長期、精確觀測。

光纖傳感器以其輕巧耐用、靈敏度高、抗電磁干擾和可實現分布式檢測等優點，更加適合建筑工程中的應力、應變檢測，其中光纖光柵傳感器是最理想的靈敏元件。對于大型工程來說，目前主要的點式光纖傳感測量技術需要在每個監測點安置一個光纖傳感系統，除造價高外，對于問題部位不在傳感點上的情況容易造成疏漏。南京大學工程管理學院張旭蘋教授利用物聯網的概念提出的“基于布里淵效應的連續分布式光纖傳感技術”添補了這項技術在國內的空白。連續分布式光纖傳感器可以進行連續的分布式測量，24小時監測工程的“健康狀況”，并且可以精確定位隱患位置[9]。

4）軍事安防

在空防領域中，目前已經可以采用光纖陀螺構成戰術導彈的慣性測量元件，主要測量導彈運行過程中的俯仰角、偏航角和橫滾角，從而準確命中目標。美國首先采用光纖陀螺制導技術，在伊拉克等戰場上已取得了較好的效果。日本已將光纖陀螺用于無人機，控制飛機的姿態。光纖陀螺的原理如圖5所示。

圖5 光纖陀螺原理Fig.5 Principle of optic fiber gyroscope

在海防領域中，光纖水聽器是研究最早、發展最快的光纖傳感器，由此構成的海防傳感網絡系統已開始用于海上邊防和重要軍事地區的海防警戒。光纖水聽器的工作原理如圖6所示。

圖6 光纖水聽器原理Fig.6 Principle of optical fiber hydrophone

近幾年由光纖傳感技術發展而來的光纖網絡安全警戒系統在邊防和重點區域防衛中也得到了應用。目前，一些發達國家正在使用的安全防衛系統就是由激光和分布式光纖傳感網絡組成的。

5）醫療系統

在臨床醫學上，由于光纖傳感器具有輕巧、柔軟、絕緣、不受電磁干擾、測量精度高和可以非接觸測量等優點，可實現用光纖內窺鏡檢查人體的各個部位，也可用于對人體血管的探測和人體外科校正等。目前，光纖內窺鏡不僅用于醫療診斷領域，也用于息肉切除等手術治療領域，光纖溫度傳感器在癌癥治療方面的研究和應用也日漸成熟。

4 結束語

傳感器作為物聯網采集信息的終端工具，它的發展直接影響著物聯網的發展。隨著物聯網技術的不斷進步，光纖傳感器也將更多的應用到社會生活的各個角落，如果在光纖傳感技術與物聯網技術融合的基礎上能夠解決造價高、集成化和實用化困難等問題，將具有更加廣闊的應用前景。

[1]劉化君，劉傳清.物聯網技術[M].北京：電子工業出版社，2010.

[2]比爾·蓋茨.未來之路[M].北京：北京大學出版社，2010.

[3]ITU Strategy and policy Unit（SPU）.ITU Internet Reports 2005:TheInternnet of Things[R].Ceneva:International Telecommuni-cation Union（ITU），2005.

[4]溫家寶.政府工作報告[N].人民日報，2010-03-04.

[5]趙勇.光纖傳感原理與應用技術[M].北京:清華大學出版社，2007.

[6]劉敏敏，周峰，杜志順.光纖傳感器在石油測井中的應用[J].光學與光電技術，2008，6（3）:18-21.

LIU Min-min，ZHOU Feng，DU Zhi-shun.Application of optic fiber sensors in petrol well loggin [J].Optics&Optoelectronic Technology，2008，6（3）:18-21.

[7]李星蓉.光纖傳感器在電力系統中的應用[J].電力系統通信，2008，29（189）:49-52.

LI Xing-rong.Application of optical fiber sensor in electric powersystem[J].Telecommunications forElectric Power System，2008，29（189）:49-52.

[8]Alahbabi MN，Cho YT，Newson TP，et a.l 150 kmrange distributed temperature sensor based on coherent detection of spontaneous Brillouin backscatter and in line Raman amplification[J].Opt.Soc.Am，2005，22（6）:22-27.

[9]ZHANG Xu-ping，WANG Feng，LU Yuan-gang.Fully distributed optical fiber sensor based on brillouin effect[J].Laser and Optoelectronics Progress，2009（11）:1-17.