光纤传感技术原理及在物联网场景中的应用

光纤传感技术原理及在物联网场景中的应用

自出现光纤传感器后，它的优势与应用引起了各个国家人们的高度关注，并且对光纤传感技术进行了深入的研究；现如今，通过光纤传感器可以对位移、温度、速度、角度等物理量进行测量，很多西方发达国家将对光纤传感器研究的重点放在光纤控制系统、核辐射监控、民用计划等多个方面，同时已经取得了可喜的成绩。

光纤传感技术的发展

光纤传感技术始于1977年，是一种伴随着光纤技术和光通信技术迅猛发展起来的新型传感技术，光纤传感器作为光纤传感技术的主要载体，近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展，在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。

光纤传感器的技术原理

光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器以及解调制器组成。其基本原理是将光源的光经入射光纤送人调制区，光在调制区内与外界被测参数相互作用，使光的光学性质(如强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。

光纤传感器按传感原理可分为两类：一类是传光型(非功能型)传感器[2]，另一类是传感型(功能型)传感器[3]。在传光型光纤传感器中，光纤仅作为光的传输媒质，对被测信号的感觉是靠其它敏感元件来完成的，这种传感器中出射光纤和入射光纤是不连续的，两者之间的调制器是光谱变化的敏感元件或其它性质的敏感元件。在传感型光纤传感器中光纤兼有对被测信号的敏感及光信号的传输作用，将信号的“感”和“传”合而为一，因此这类传感器中光纤是连续的。

由于这两种传感器中光纤所起的作用不同，对光纤的要求也不同。在传光型传感器中光纤只起传光的作用，采用通信光纤甚至普通的多模光纤就能满足要求，而敏感元件可以很灵活地选用优质的材料来实现，因此这类传感器的灵敏度可以做得很高，但需要较多的光耦合器件，结构较复杂；传感型光纤传感器的结构相对来说比较简单，可少用一些耦合器件，但对光纤的要求较高，往往需采用对被测信号敏感、传输特性又好的特殊光纤。到目前为止，实际中大多数采用前者，但随着光纤制造工艺的改进，传感型光纤传感器也必将得到广泛的应用。

光纤传感技术在物联网场景中的应用

按光在光纤中被调制的原理不同，光纤传感器可分为：强度调制型、相位调制型、偏振态调制型、频率调制型、波长调制型等。迄令为止，光纤传感器能够测定的物理量已达七十多种。

30多年的发展，中国光纤传感市场产业化格局基本形成，从最初单一的技术产品推广逐步向成熟的整体解决方案迈进，从产品种类、工艺质量及工程实施服务等多方面得以逐步完善，行业标准及规范逐渐形成。主要研究领域包括：

(1)新型敏感材料研究;

(2)分布式光纤传感系统开发;

(3)新型专用光电子器件开发;

(4)适合于易燃易爆、强磁场干扰、高辐射、高温高压场所的光纤传感器开发;

(5)大型结构工程长期安全监测与健康诊断的光纤传感器及其传感系统开发;

(6)光纤光栅传感器产业技术研究;

(7)光纤智能材料与结构及其应用研究;

(8)光纤陀螺的工程应用研究;

(9)微光机电系统;

(10)准分子激光微加工技术研究;

(11）特种光纤传感器件及其他类型光纤传感器的开发。

光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。

我国对光纤传感器的研究起步较晚，有很多研究所、企业等对光纤传感器的深入研究促进了光纤传感技术的发展。在2010年，张旭平的关于“布里渊效应连续分布式光纤传感技术”通过了专家的鉴定。专家组都认为此技术有很强的创新性，技术已达到世界先进水平，因此，有广阔的发展前景。此技术的发展主要是应用了物联网技术，从而加速了我国物联网的发展。

传感器成为物联网极其重要的一组成部分。因此，传感器性能好坏决定了物联网的性能好坏。可以说，物联网获得信息的主要手段为传感器。这样一来，传感器所采集信息的可靠性与准确性都会对控制节点处理和传输信息产生一定影响。由此看来，传感器的可靠性、抗干扰性等都会对物联网应用性能发挥举足轻重的作用。

通过上述分析得知，物联网的发展必须要借助大量传感器获得各种环境参数，从而为物联网更可靠的数据信息，再经过系统的处理，得到人们需要的结果。以下是对光纤传感技术在物联网中的应用进行详细的探讨。

目前应用最广的光纤传感器有四种，分别是光纤陀螺、光纤水听器、光纤光栅传感器和光纤电流传感器。其中，光纤陀螺有干涉型、谐振型和布里渊型三种类型，干涉型光纤陀螺是技术上很成熟的第一代商品化阶段，谐振光纤陀螺是处于实验室研究阶段的第二代，布里渊型

光纤陀螺是在理论研究阶段的第三代光纤陀螺传感器。

光纤水听器是在光纤、光电子技术基础上的一种水下声音信号传感器，这种传感器通过高度灵敏的光纤相干检测，把水中的声音信号转换成光信号，再通过光纤传到信号处理系统转换为声音信号，这种传感器按原理可以分为干涉型、强度型、光栅型等类型。

在光纤光栅传感器的产品中包括应变传感器、温度传感器和压力传感器，其中光纤bragg光栅传感器是这几年的研究热点，它们大部分属于光强型和干涉型，并且各有利弊。自今年来电力的发展是突飞猛进的，这种情况下，面对着强大电流的测量问题，光纤电流传感器可以很好的避免一些由于电力过强而引发的事故。

光纤传感技术在建设工程物联网的应用

现如今，在公路、桥梁等的工程建设过程中，常常会发生隧道坍塌、火灾、桥梁裂缝等安全事故，这既给人们的生命和财产安全带来严重威胁，又对我国的经济发展产生一定的影响。但是，如果把光纤传感器放置在建筑物内，便可以及时了解桥梁是否出现变形、桥梁承载的负荷情况等，并且也可以借助张力传感器探测隧道易发生探讨的部位是否发生变形，我们将这些信息和互联网相连接，便形成了光纤物联网，进而可以长期对这些基础建设工程进行监测，减少与避免安全事故的出现。