光纖傳感器在物聯網關鍵技術中的應用

陳燃

摘 ?要：當前，隨著光纖傳感技術逐漸發展，在物聯網中更多傳感器被應用其中。在光纖傳感器的應用下，可對物聯網內部原始數據展開采集，促使相關領域更好地應用物聯網關鍵技術展開監測。該文簡述光纖傳感器的概念、特征以及應用方向。重點介紹了布拉格光柵的應用原理，從物聯網系統平臺設計、溫度測量、調制解調儀、環氧應變溫度探測等方面闡述此類型傳感器的應用。

關鍵詞：光纖傳感器 ?物聯網技術 ?布拉格光柵

中圖分類號：TP212 ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）10（c）-0024-02

在科技快速發展的背景下，物聯網中光纖傳感器相關技術的應用日益廣泛。特別是布拉格光柵，這種類型傳感器可有效探測出有機物溫度應力的變化。同時傳感器具有靈敏、適應性強等優勢，監測效果良好。在各類新興物聯網技術的發展過程，如何將布拉格光柵應用到其中成為相關領域人員研究的重點內容。

1 ?光纖傳感器介紹

1.1 概念

光纖傳感器屬于利用棱鏡作為反射體的傳感器類型，其具有多種優勢，不受電磁、輻射等影響，具有質量輕、絕緣、耐高溫和耐腐蝕等性能，同時具有較高的檢測性能。將其應用到物聯網監測系統中，電路連接更加容易，可使用嵌入設計方式，實現快速安裝。

1.2 特征

光纖傳感器幾何形狀適應性強，同時可對制造成傳輸各類物理信息器件，能應用在惡劣的監測環境中，與光纖遙測更好地進行兼容。應用光纖傳感器可傳輸敏感信息，具有良好的抗干擾能力，與計算機相連接，可實現對信號的遠程監控[1]。

1.3 應用方向

光纖傳感器兼具寬帶、遠距離傳輸以及大容量等優勢，可實現低耗能、多參數以及分布式傳輸。其吸收了光纖通信相關技術，各類傳感器在物聯網監測系統中有廣泛的應用。可使用光纖傳感器測試材料的性能、應力特征等。

2 ?布拉格光柵工作原理

布拉格光柵傳感器（FBG）屬于可在反向模式中實現耦合功能的傳感器類型。當光攝入到光柵時，其可將光投射、反射成為窄譜分量為λB的布拉格波長。光柵工作過程滿足公式λB=2ηeffΛ，公式中λB指的是入射光線經過布拉格光柵之后反射的中心波長;ηeff為光線格柵纖芯折射率;Λ為光柵周期。在實際應用環節，中心波長可能受到傳播介質的折射率而影響。

3 ?布拉格光柵光纖傳感器在物聯網關鍵技術中的應用

3.1 物聯網監測平臺系統設計

在物聯網監測平臺系統設計過程，主要是利用布拉格光纖傳感器對數據展開集中管理以及分散控制。在系統運行過程中利用光纖傳感器采集外界溫度、應力、應變等參數，之后通過系統模塊組成無線網組，將采集信息匯總到控制模塊中，之后利用網絡與遠程平臺實現對數據監控，管理人員可通過移動設備獲得溫度監測信息。監測系統包括資料管理、信息查詢、數據監測、權限管理、報表生成、測點布置等子系統，不同的子系統之間存在特定的關聯，可實現高聚合、低耦合、數據分層的監測關系。各個系統按照實際功能以及業務邏輯形成不同的模塊，執行特定功能。

3.2 溫度測量

FBG傳感器在傳感學中有著重要作用，可對常見的溫度、磁場、速度以及壓力等物理量展開分布式測量。FBG光纖傳感器結構簡單，占據空間小，可應用在狹窄范圍的空間探測，因此可將其提前設置在未成型的復合材料當中，準確測量出材料中的應變參數，實現對材料應變分布展開實時監測。因此，可利用FBG光纖傳感器對復合材料的固化環節展開在線監測。當前國內在監測過程分為3種形式，以下是對3種形式的應用優劣加以說明。

3.2.1 靜態監測

此過程主要是利用高精度儀器，結合差熱分析以及視差掃描等方法對監測數據進行計算。同時利用流變分析以及紅外光譜等方法展開測量。使用以上分析方法不可直接對產品進行測量，監測結果可能受到環境因素影響，導致材料固化環節監測結果真實性不足。

3.2.2 動態監測

使用介電分析，設置交變電場、更改頻率和電壓等，對介電系數以及損耗系數等展開測定，按照隨溫度和時間變化，監測出物體內部形態的變化情況。還可在材料中設置熱電偶以及應變片等，實現在線監測各個參數在材料固化過程的變化。這種監測方式使用的傳感器體積大，與材料的融合度不好，因此監測效果也不理想。

3.3 調制解調儀

調制解調儀也稱光柵動態分析儀，在物聯網監測過程，FBG傳感器獲得的監測信號需要利用解調儀傳輸到計算機中，進行數據處理。常使用SM130型號的解調儀，這種儀器中有4條光學通道，波長范圍可達到1510～1590nm，掃描頻率為1kHz，其穩定性可達2pm，最大可達5pm。應用環節可利用設備本身含有的ENLIGHT軟件設置參數，獲得相應的波長數據。

3.4 探測環氧應變溫度

3.4.1 標定傳感器

使用布拉格光柵容易受到溫度與應變因素等影響，因此在實際應用環節中，可先對傳感器展開標定。首先，使用烘箱加熱，測定出特定梯度范圍內溫度變化值;其次，利用解調儀對光纖傳感器進行標定，保障傳感器可精準測量出烘箱內部的溫度，利用ENLIGHT軟件測量出溫度穩定環境下中心波長;最后，利用實際測量得到的溫度和FBG傳感器之間的中心波長變化關系，得到溫度變化情況，計算結果可排除傳感器受到溫度的影響。在測量的溫度范圍中，隨著溫度升高，中心波長呈現出線性關系也相應增加。按照中心波長值，獲得插值函數，測得波長對應溫度。

3.4.2 測量封裝

在測量環氧材料的應變溫度過程中，可受到外界環境溫度以及應變因素對傳感器產生的影響，導致中心波長發生變化，因此，在測量光纖溫度過程中，應排除應變干擾;反之，測量應變時，應排除溫度干擾。對此，應先封裝溫度傳感器，再進行標定測量。可在不銹鋼中填充具備較好熱穩定性能的材料，避免測定環節環境溫度對應變產生影響。

3.4.3 測量應變溫度

在測量過程，選取兩組400mL含有等量氧化鋁的復合材材料，其中一份放入到FBG溫度傳感器當中，另一份放入FBG應變傳感器中。將傳感器沿裝置中心伸入到燒杯中，固定在距離杯底30mm的位置。將含有環氧復合材料置于烘箱中，將兩個燒杯處于溫度相同的位置，100℃時持續2h，115℃中持續4h，130℃時持續24h，最后按照每分鐘下降10℃速度逐漸降低到室溫。實驗過程使用傳感器的靈敏度為1.15～1.25pm/ε，中心波長和應變換算關系滿足1200pm 1000ε，按照系統監測出中心波長產生的偏移，根據換算關系即可求出殘余的應變值。通過傳感器匯總數據信息，傳輸到控制模塊中，利用報表生成系統獲得應力隨溫度變化的曲線，展現出材料冷卻過程監測系統的檢測結果[3]。

4 ?結語

總而言之，利用物聯網采集信息過程中，傳感器作為其中的終端工具，關鍵技術的應用決定其物聯網的不斷發展。在技術逐漸發展過程，相關領域人員應準確掌握布拉格光柵的工作原理，利用此類型光纖傳感器科學設計物聯網監測平臺，對復合材料的物體溫度展開測量，通過動態解調儀，收集信息，對有有機材料溫度應變進行監測，使傳感器高效發揮作用，在物聯網領域上有更廣泛的應用。

參考文獻

[1] 陳卓，馬原.無線傳感器網絡的關鍵技術及其在物聯網中的應用[J].信息與電腦：理論版，2019（7）：163-164.

[2] 趙芳.面向物聯網應用的光纖傳感監測系統研究[D].北京郵電大學，2018.

[3] 夏承龍.無線傳感器網絡的關鍵技術及其在物聯網中的應用[J].通訊世界，2017（21）：66-67.