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光纤传感网如何改变我们的生活? 精选

已有 2964 次阅读 2018-4-9 10:01 |个人分类:科学书摘|系统分类:科研笔记

 

与传统的传感器相比,光纤传感器本身不带电,具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全、多参量测量(温度、应力、振动、位移、转动、电磁场、化学量和生物量等)、灵敏度高、质量轻、体积小、可嵌入(物体)等特点。光纤传感网是将各种分立式传感单元、分布式传感单元按照一定拓扑结构组成的传感网络,具有容量大、参量多、拓扑结构复杂、数据处理要求高等特点。光纤传感网是光纤传感技术发展的趋势和要求,可广泛应用于航空航天、电力电子、土木工程和安全监测等领域,具有巨大的社会需求和广阔的应用前景。


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光纤传感网

光纤传感器网可以被广泛地定义为:一组由两个或两个以上的光纤传感器复用在一起,部署在被测物内或非常接近被测物,对被测物各个性能参数进行测量的一种传感网络。根据传感单元种类的不同,目前光纤传感网也可大体分为分立式光纤传感网和分布式光纤传感网两大类。


分立式光纤传感网


在分立式光纤传感网中,把在空间上呈一定规律分布的光纤传感单元串并联或按其他拓扑结构相连。按照不同的调制信号载体,分立式光纤传感单元可分为光强度调制、光频率调制、光波长调制、光相位调制和偏振调制五种类型。最常用的光纤传感单元主要有相位调制型传感单元和波长调制型传感单元。

 

分立式传感单元中常用的相位调制型传感单元利用干涉原理构建,传感单元具体结构形式包括光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)型、光纤马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉型、光纤迈克耳孙(Michelson)干涉型和光纤萨奈克(Sagnac)干涉型。传感信息加载于干涉相位中,相位的改变导致输出光强的改变,从而干涉输出光强受到调制。光纤F-P型传感单元是利用F-P腔长承载传感信息,达到干涉相位调制的目的。由于其结构简单,干涉信号稳定,因而光纤F-P型传感单元应用广泛,已被用于实现应变、温度、压力、折射率等参数的传感。


波长调制型分立式传感单元的典型代表是光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG),它将传感信息调制在中心波长上,通过对FBG反射波长移动的监测即可测量外界参量的变化,探测能力不受光源功率波动、光纤弯曲损耗、探测器老化等因素的影响。


分布式光纤传感网


分布式光纤传感单元主要有三大类:基于光纤背向散射的光时域反射仪(optical time domain reflectometer,OTDR)技术的分布式光纤传感单元、基于光频域反射仪(optical frequency domain reflectometer,OFDR)技术的分布式光纤传感单元,以及基于长距离干涉技术的分布式光纤传感单元。

 

光时域反射分布式传感单元利用光脉冲进行光纤传感单元的探测,光脉冲通过光纤时产生的背向散射光包括与激励光波长相同的瑞利散射,以及与激励波长不同的非弹性散射——拉曼散射和布里渊散射,这些散射信号携带光纤各个位置的传感信息,通过分析信号特性(光强、偏振态、频率等)的变化来确定待测参量大小,空间位置根据回波时间确定,空间分辨率由脉冲宽度决定,由此可获得待测参量的空间分布。


目前已有多种基于OTDR的分布式光纤传感单元见诸报道,包括基于OTDR的微弯传感单元基于自发拉曼散射的光时域反射仪(Raman optical time domain reflectometer,ROTDR)的传感单元、基于自发布里渊散射的光时域反射仪(Brillouin optical time domain reflectometer,BOTDR)的传感单元、基于瑞利散射的偏振光时域反射仪(polarizationsensitive optical time domain reflectometer,P-OTDR)的传感单元、基于相位敏感的光时域反射仪(phase-sensitive optical time domain reflectometer,phase-OTDR或Ф-OTDR)的传感单元、基于受激拉曼效应的传感单元、基于受激布里渊效应的传感单元等。

 

OFDR是分布式光纤传感技术的一种新兴技术,其采用光外差干涉技术,利用线性调谐光源,参考光与传感光纤中瑞利散射光相干形成拍频,其中传感光纤中不同测试距离对应不同拍频。传统的OFDR技术主要应用在短距离光链路和光器件中实现高精度和高空间分辨率监测。


基于干涉技术的长距离分布式光纤传感网主要应用于周界安全、石油管道盗挖监测等分布式振动和扰动传感,大多采用马赫-曾德尔型、萨奈克型、迈克耳孙型干涉结构及在基础上的光纤光路结构混合或变形,萨奈克/马赫-曾德尔、萨奈克/迈克耳孙、萨奈克/萨奈克以及差分环/环等双干涉仪结构,其原理均是通过测量相向传播的光干涉信号的时延、干涉信号频率和强度特征,分析得到待测量的大小和发生位置,实现分布式测量。


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新型光纤光栅自愈传感网结构示意图

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六边形光纤传感网结构示意图


光纤传感网的主要性能指标


1、分辨率


波长位移分辨率主要取决于传感系统所采用的波长探测技术或波长解码系统以及系统的信噪比。



2、复用传感器数量或网络规模


网络规模主要取决于光源的发射功率、网络的拓扑结构和波长解码系统的接收灵敏度。其中,网络的拓扑结构是传感网的基本骨架,很大程度上决定了传感网的规模、成本及可扩展特性。主要包括总线型、环形、星形和混合型,优缺点不同,应用范围也不同。网络拓扑关系到网络安装和维护费用,故障检测和隔离的方便性,因此需要考虑扩展的灵活性、可调整性。


3、传感器的取样速率


取样速率主要取决于传感网络的规模、网络所采用的拓扑结构和系统所采用的波长探测技术,目前现有的解码方案包括F-P腔滤波器探测技术、声-光滤波器探测技术、单色仪波长探测技术、干涉滤波器探测技术、匹配接收并行探测技术、匹配接收串联探测技术、CCD并行探测技术等。不同的探测技术具有不同的波长分辨率和工作速率,可根据实际情况做出选择。


4、网络的鲁棒性和可靠性


鲁棒性是描述系统强壮与否的参量,即表明系统抵抗外部的干扰或破坏的能力。网络结构鲁棒性是网络科学中一个十分重要的方面,在控制系统中也是重要的研究分支。在分析网络拓扑结构的鲁棒性时,最关注的是当受到来自环境影响而导致的随机故障,或者当遭到蓄意的攻击破坏时,网络能否生存下来并且维持网络正常工作的功能。


5、光纤传感网的数据处理


光纤传感网将各种不同的信息转化为随时间变化的光信号,经光电转换、隔直放大、A/D采样、解调等一系列预处理后,待分析和识别的各通道信号本质上就是一个一维数组,其原始形式中包含着待识别信号的物理特征。要实现对不同类信号的自动识别,必须通过信号分析,从这种原始形式中提取出可被计算机识别的各类信号相互区别的特征,即特征提取。特征提取是指从模式中提取出一系列能够反映信号本身特征的参数向量,并用某一种数学结构来对特征参数进行表达。


6、光纤传感网的智能化


将传感技术与通信技术、计算机技术融合,实现传感系统的智能化,是现代传感技术的一个重要特征。智能化的传感系统不仅包括传统意义上的信号转换功能,而且集信号获取、存储、传输、处理等多种功能于一体,可以实现逻辑判断、数据分类、模式识别、自动报警等智能化功能。在现代智能传感技术及市场需求的推动下,光纤传感系统也在逐步向智能化的方向发展。基于各种开发平台如单片机、DSP芯片、虚拟仪器技术等的智能光纤传感系统都在广泛的研发之中。多层次的计算功能如现代谱分析、时频分析、神经网络、遗传算法、模糊控制等也都被引入光纤传感系统中。智能光纤传感系统在许多崭新领域受到广泛关注,如智能材料、环境感知、声发射检测、石油测井等。


光纤传感网的应用领域


光纤传感技术具有极优异的测量精度、可靠性和动态测量特性,而且本质安全,易于工程铺设,因此分布式光纤传感网在民用工程、航空航天、电力工业、石油化工、医疗等领域中都有着广泛的应用。

1

民用工程结构中的应用

 

分布式光纤传感技术广泛应用于民用工程结构如桥梁等建筑的安全检测、岩石变形测量、道路和场地测量以及周界安防监控中,可为监测交通工具的速度、载重及种类提供很重要的数据。这种传感器的测量精度可以达到几个微应变,具有很好的可靠性,可实现动态测量,采用分布式埋入还可以实现对整个建筑物健康状况的监测,从而防止工程及交通事故的发生。例如,采用光纤传感网对大型复合材料和混凝土结构进行监测。因为光纤传感器尺寸小,所以埋入复合材料中不影响材料的结构特性,并且耐腐蚀、耐高温、耐恶劣环境,单根光纤可复用大量的传感器,便于构成光纤传感网。典型应用实例有武汉阳逻大桥、白鹤梁题刻原址水下保护工程、武汉长江二桥、清江水布垭工程、武汉天兴洲大桥等项目。


2

军事领域中的应用

 

光纤传感器由于具有抗电磁干扰等优点,可以应用于电传感器不易使用的场合,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以及战场环境(电磁环境、生化环境等)的探测等。


3

航空航天领域中的应用

 

在航空航天领域,飞行安全是人们十分关注的一个方面。光纤传感器具有体积小、质量轻、灵敏度高等优点。分布式光纤传感技术早在1988年就成功地在航空航天领域中用于无损检测,将光纤传感器埋入飞行器或者发射塔结构中,构成分布式智能传感网,可以对飞行器及发射塔的内部机械性能及外部环境进行实时监测,其中,波音公司在这方面进行了许多研究。目前可以使用分布式光纤传感技术实现飞机机翼、羽翼、稳定轴、支撑杆等处的应变及位移监测,以及电机、电路等连接部位运行温度的实时在线测量。

 

4

船舶工业中的应用

 

光纤传感技术在船舶工业中也有着广泛应用,如船体关键位置的应变监测、损伤评估和超负荷条件下的早期报警。船舶的结构缺陷常常影响其安全性能,基于分布式光纤传感技术的大型结构健康监测系统可以实时监测船体的健康状态,从而预防事故的发生。目前已成功将光纤传感技术大规模用于船舶、潜艇损伤的实时检测。


5

电力工业中的应用

 

电网规模迅速扩大和电压等级的不断提高,对电力设备的可靠性和安全运行提出了更高的要求,而高压检测技术却跟不上形势的发展,常规检测设备已不能满足当前的需要。凭借光纤传感器的抗电磁干扰能力强且本身电绝缘、长距离遥控方便等特性,在不适宜用电传感网的场合里通常用光纤传感网,目前分布式光纤传感器是一种较理想的检测技术,在高压电力系统的安全监控中有着重要应用。例如,利用分布式光纤传感可以实时监测长距离输电线路表面的温度,计算导体温度许用负载和载流量,进而为输电线路的故障监测和负荷管理提供全面而有效的解决方案,保障输电线路的安全,提高资产利用率,发现潜在故障,实现预防性维护。


6

石油化工中的应用

 

泄漏是输油管道运行的主要故障,往往也会由此造成巨大损失。因而,输油管道泄漏检测是石油行业亟待解决的重要问题。利用铺设在管道附件的传感器,收集管道由于泄漏、附近机械施工和人为破坏等事件产生的压力和振动信号,进一步可以通过相关传感技术检测管道泄漏并进行定位。分布式光纤传感技术由于能够获得被测物理量沿空间和时间上的连续分布信息,非常适合用于长距离管道泄漏检测。另外,利用分布式光纤传感技术还可实时监测高压管道应变和弯曲状况。


7

医疗领域中的应用

 

光纤传感器柔软、小巧、自由度大、绝缘、不受射频和微波干扰、测量精度高,在医学中的应用具有明显优势,例如,对人体血管等的探测、人体外科校正和超声波场测量等。光纤内窥镜使得检查人体的各个部位几乎都是可行的,且操作中不会引起患者的痛苦与不适,其中光纤血管镜已应用于人类的心导管检查中。光纤内窥镜不仅用于诊断,目前也正进入治疗领域中,如息肉切除手术等。微波加温治疗技术是当前治疗的有效途径,但微波加温治疗技术的温度难以把握,而光纤温度传感器可以实现对微波加温治疗技术有效温度的监测。另外,光纤温度传感器在癌症治疗方面的研究和应用正日益兴起。


农业领域中的应用

 

利用光纤传感网监测农作物的生长、收获、存储等多个方面可以促进农业生产与管理的高产与低耗,使农业发展取得巨大的进步。光纤温度传感器、光纤湿度传感器及光纤二氧化碳传感器在农作物的生长过程中可以监测作物生长的温度、湿度和二氧化碳浓度。光纤传感器的监测信息实时反馈给管理中心,管理中心再去调用控制设备调节这些参数到合适值,从而构成光纤传感网,使农作物始终生长在适宜的环境中。粮食的储备环境也可通过光纤温度传感器和光纤湿度传感器进行监测,指导工作人员应何时对粮食进行翻晒。水果、蔬菜的储藏环境可以通过采用相应的光纤气体传感器测量乙烯、氧气、二氧化碳、氨气、氟利昂等气体的浓度进行监测,同样,将监测到的信息实时反馈到管理中心,利用光纤传感网进行实时监控。


光纤传感网用途广泛,涉及工业测控、政府工作、食品溯源、公共安全、智能家居、智能交通、医疗护理、智能消防、环境保护、水质监测等多个领域。目前城市管理、工业监控、公共安全、远程医疗、智能交通、智能家居、绿色农业和环境监测等行业均有光纤传感网的初步应用,某些领域已有成功的经验。



本文摘编自刘铁根、张红霞等著《光纤传感网》文前及第一章,内容有删减,题目为编者所加。


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光纤传感网

刘铁根  张红霞  等著

责任编辑 :裴 育  纪四稳

北京:科学出版社 2018.01

ISBN:978-7-03-054447-6

《光纤传感网》旨在对光纤传感网进行全景式的深入介绍和探索,不仅介绍了光纤传感网的基础理论知识,而且对光纤传感网的现状和未来发展趋势进行了综述和预测。书中系统介绍了光纤传感网的基本概念、组网方法、拓扑结构、鲁棒性评估模型、编码扩容、数据特征提取和智能传感网,并着重介绍了光纤传感网的应用。全书内容丰富,深入浅出,循序渐进,体系完整。作者将科研和应用中的实际经验融入书中,注重理论联系实际,力求反映光纤传感网在现阶段的应用成果。



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清华大学教授、中国科学院院士、国家973计划专家顾问组成员周炳琨院士为本书做序。

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(本期编辑:安静)


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