光纖傳感器在物聯(lián)網(wǎng)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(fā)展，在物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)內(nèi)部原始數(shù)據(jù)展開采集，促使相關領域更好地應用物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術展開監(jiān)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(lián)網(wǎng)系統(tǒng)平臺設計、溫度測量、調(diào)制解調(diào)儀、環(huán)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(lián)網(wǎng)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(fā)展的背景下，物聯(lián)網(wǎng)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(yōu)勢，監(jiān)測效果良好。在各類新興物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)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(nèi)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(yōu)勢，不受電磁、輻射等影響，具有質(zhì)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(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中，電路連接更加容易，可使用嵌入設計方式，實現(xiàn)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(jiān)測環(huán)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(xiàn)對信號的遠程監(jiān)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(yōu)勢，可實現(xiàn)低耗能、多參數(shù)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(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中有廣泛的應用?？墒褂霉饫w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(xiàn)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(jīng)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(huán)節(jié)，中心波長可能受到傳播介質(zhì)的折射率而影響。

3 ?布拉格光柵光纖傳感器在物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術中的應用

3.1 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺系統(tǒng)設計

在物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺系統(tǒng)設計過程，主要是利用布拉格光纖傳感器對數(shù)據(jù)展開集中管理以及分散控制。在系統(tǒng)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(shù)，之后通過系統(tǒng)模塊組成無線網(wǎng)組，將采集信息匯總到控制模塊中，之后利用網(wǎng)絡與遠程平臺實現(xiàn)對數(shù)據(jù)監(jiān)控，管理人員可通過移動設備獲得溫度監(jiān)測信息。監(jiān)測系統(tǒng)包括資料管理、信息查詢、數(shù)據(jù)監(jiān)測、權限管理、報表生成、測點布置等子系統(tǒng)，不同的子系統(tǒng)之間存在特定的關聯(lián)，可實現(xiàn)高聚合、低耦合、數(shù)據(jù)分層的監(jiān)測關系。各個系統(tǒng)按照實際功能以及業(yè)務邏輯形成不同的模塊，執(zhí)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(jù)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(shù)，實現(xiàn)對材料應變分布展開實時監(jiān)測。因此，可利用FBG光纖傳感器對復合材料的固化環(huán)節(jié)展開在線監(jiān)測。當前國內(nèi)在監(jiān)測過程分為3種形式，以下是對3種形式的應用優(yōu)劣加以說明。

3.2.1 靜態(tài)監(jiān)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(jiān)測數(shù)據(jù)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(chǎn)品進行測量，監(jiān)測結果可能受到環(huán)境因素影響，導致材料固化環(huán)節(jié)監(jiān)測結果真實性不足。

3.2.2 動態(tài)監(jiān)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(shù)以及損耗系數(shù)等展開測定，按照隨溫度和時間變化，監(jiān)測出物體內(nèi)部形態(tài)的變化情況。還可在材料中設置熱電偶以及應變片等，實現(xiàn)在線監(jiān)測各個參數(shù)在材料固化過程的變化。這種監(jiān)測方式使用的傳感器體積大，與材料的融合度不好，因此監(jiān)測效果也不理想。

3.3 調(diào)制解調(diào)儀

調(diào)制解調(diào)儀也稱光柵動態(tài)分析儀，在物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測過程，F(xiàn)BG傳感器獲得的監(jiān)測信號需要利用解調(diào)儀傳輸?shù)接嬎銠C中，進行數(shù)據(jù)處理。常使用SM130型號的解調(diào)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(wěn)定性可達2pm，最大可達5pm。應用環(huán)節(jié)可利用設備本身含有的ENLIGHT軟件設置參數(shù)，獲得相應的波長數(shù)據(jù)。

3.4 探測環(huán)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(huán)節(jié)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(nèi)溫度變化值;其次，利用解調(diào)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(nèi)部的溫度，利用ENLIGHT軟件測量出溫度穩(wěn)定環(huán)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(xiàn)出線性關系也相應增加。按照中心波長值，獲得插值函數(shù)，測得波長對應溫度。

3.4.2 測量封裝

在測量環(huán)氧材料的應變溫度過程中，可受到外界環(huán)境溫度以及應變因素對傳感器產(chǎn)生的影響，導致中心波長發(fā)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?？稍诓讳P鋼中填充具備較好熱穩(wěn)定性能的材料，避免測定環(huán)節(jié)環(huán)境溫度對應變產(chǎn)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(huán)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(xù)2h，115℃中持續(xù)4h，130℃時持續(xù)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(tǒng)監(jiān)測出中心波長產(chǎn)生的偏移，根據(jù)換算關系即可求出殘余的應變值。通過傳感器匯總數(shù)據(jù)信息，傳輸?shù)娇刂颇K中，利用報表生成系統(tǒng)獲得應力隨溫度變化的曲線，展現(xiàn)出材料冷卻過程監(jiān)測系統(tǒng)的檢測結果[3]。

4 ?結語

總而言之，利用物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展。在技術逐漸發(fā)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(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺，對復合材料的物體溫度展開測量，通過動態(tài)解調(diào)儀，收集信息，對有有機材料溫度應變進行監(jiān)測，使傳感器高效發(fā)揮作用，在物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡的關鍵技術及其在物聯(lián)網(wǎng)中的應用[J].信息與電腦：理論版，2019（7）：163-164.

[2] 趙芳.面向物聯(lián)網(wǎng)應用的光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].北京郵電大學，2018.

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