光纤传感器在物联网关键技术中的应用
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作者:陈燃
摘 要：当前，随着光纤传感技术逐渐发展，在物联网中更多传感器被应用其中。在光纤传感器的应用下，可对物联网内部原始数据展开采集，促使相关领域更好地应用物联网关键技术展开监测。该文简述光纤传感器的概念、特征以及应用方向。重点介绍了布拉格光栅的应用原理，从物联网系统平台设计、温度测量、调制解调仪、环氧应变温度探测等方面阐述此类型传感器的应用。
关键词：光纤传感器 物联网技术 布拉格光栅
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）10（c）-0024-02
在科技快速发展的背景下，物联网中光纤传感器相关技术的应用日益广泛。特别是布拉格光栅，这种类型传感器可有效探测出有机物温度应力的变化。同时传感器具有灵敏、适应性强等优势，监测效果良好。在各类新兴物联网技术的发展过程，如何将布拉格光栅应用到其中成为相关领域人员研究的重点内容。
1 光纤传感器介绍
1.1 概念
光纤传感器属于利用棱镜作为反射体的传感器类型，其具有多种优势，不受电磁、辐射等影响，具有质量轻、绝缘、耐高温和耐腐蚀等性能，同时具有较高的检测性能。将其应用到物联网监测系统中，电路连接更加容易，可使用嵌入设计方式，实现快速安装。
1.2 特征
光纤传感器几何形状适应性强，同时可对制造成传输各类物理信息器件，能应用在恶劣的监测环境中，与光纤遥测更好地进行兼容。应用光纤传感器可传输敏感信息，具有良好的抗干扰能力，与计算机相连接，可实现对信号的远程监控[1]。
1.3 应用方向
光纤传感器兼具宽带、远距离传输以及大容量等优势，可实现低耗能、多参数以及分布式传输。其吸收了光纤通信相关技术，各类传感器在物联网监测系统中有广泛的应用。可使用光纤传感器测试材料的性能、应力特征等。
2 布拉格光栅工作原理
布拉格光栅传感器（FBG）属于可在反向模式中实现耦合功能的传感器类型。当光摄入到光栅时，其可将光投射、反射成为窄谱分量为λB的布拉格波长。光栅工作过程满足公式λB=2ηeffΛ，公式中λB指的是入射光线经过布拉格光栅之后反射的中心波长;ηeff为光线格栅纤芯折射率;Λ为光栅周期。在实际应用环节，中心波长可能受到传播介质的折射率而影响。
3 布拉格光栅光纤传感器在物联网关键技术中的应用
3.1 物联网监测平台系统设计
在物联网监测平台系统设计过程，主要是利用布拉格光纤传感器对数据展开集中管理以及分散控制。在系统运行过程中利用光纤传感器采集外界温度、应力、应变等参数，之后通过系统模块组成无线网组，将采集信息汇总到控制模块中，之后利用网络与远程平台实现对数据监控，管理人员可通过移动设备获得温度监测信息。监测系统包括资料管理、信息查询、数据监测、权限管理、报表生成、测点布置等子系统，不同的子系统之间存在特定的关联，可实现高聚合、低耦合、数据分层的监测关系。各个系统按照实际功能以及业务逻辑形成不同的模块，执行特定功能。
3.2 温度测量
FBG传感器在传感学中有着重要作用，可对常见的温度、磁场、速度以及压力等物理量展开分布式测量。FBG光纤传感器结构简单，占据空间小，可应用在狭窄范围的空间探测，因此可将其提前设置在未成型的复合材料当中，准确测量出材料中的应变参数，实现对材料应变分布展开实时监测。因此，可利用FBG光纤传感器对复合材料的固化环节展开在线监测。当前国内在监测过程分为3种形式，以下是对3种形式的应用优劣加以说明。
3.2.1 静态监测
此过程主要是利用高精度仪器，结合差热分析以及视差扫描等方法对监测数据进行计算。同时利用流变分析以及红外光谱等方法展开测量。使用以上分析方法不可直接对产品进行测量，监测结果可能受到环境因素影响，导致材料固化环节监测结果真实性不足。
3.2.2 动态监测
使用介电分析，设置交变电场、更改频率和电压等，对介电系数以及損耗系数等展开测定，按照随温度和时间变化，监测出物体内部形态的变化情况。还可在材料中设置热电偶以及应变片等，实现在线监测各个参数在材料固化过程的变化。这种监测方式使用的传感器体积大，与材料的融合度不好，因此监测效果也不理想。
3.3 调制解调仪
调制解调仪也称光栅动态分析仪，在物联网监测过程，FBG传感器获得的监测信号需要利用解调仪传输到计算机中，进行数据处理。常使用SM130型号的解调仪，这种仪器中有4条光学通道，波长范围可达到1510～1590nm，扫描频率为1kHz，其稳定性可达2pm，最大可达5pm。应用环节可利用设备本身含有的ENLIGHT软件设置参数，获得相应的波长数据。
3.4 探测环氧应变温度
3.4.1 标定传感器
使用布拉格光栅容易受到温度与应变因素等影响，因此在实际应用环节中，可先对传感器展开标定。首先，使用烘箱加热，测定出特定梯度范围内温度变化值;其次，利用解调仪对光纤传感器进行标定，保障传感器可精准测量出烘箱内部的温度，利用ENLIGHT软件测量出温度稳定环境下中心波长;最后，利用实际测量得到的温度和FBG传感器之间的中心波长变化关系，得到温度变化情况，计算结果可排除传感器受到温度的影响。在测量的温度范围中，随着温度升高，中心波长呈现出线性关系也相应增加。按照中心波长值，获得插值函数，测得波长对应温度。
3.4.2 测量封装
在测量环氧材料的应变温度过程中，可受到外界环境温度以及应变因素对传感器产生的影响，导致中心波长发生变化，因此，在测量光纤温度过程中，应排除应变干扰;反之，测量应变时，应排除温度干扰。对此，应先封装温度传感器，再进行标定测量。可在不锈钢中填充具备较好热稳定性能的材料，避免测定环节环境温度对应变产生影响。
3.4.3 测量应变温度
在测量过程，选取两组400mL含有等量氧化铝的复合材材料，其中一份放入到FBG温度传感器当中，另一份放入FBG应变传感器中。将传感器沿装置中心伸入到烧杯中，固定在距离杯底30mm的位置。将含有环氧复合材料置于烘箱中，将两个烧杯处于温度相同的位置，100℃时持续2h，115℃中持续4h，130℃时持续24h，最后按照每分钟下降10℃速度逐渐降低到室温。实验过程使用传感器的灵敏度为1.15～1.25pm/ε，中心波长和应变换算关系满足1200pm 1000ε，按照系统监测出中心波长产生的偏移，根据换算关系即可求出残余的应变值。通过传感器汇总数据信息，传输到控制模块中，利用报表生成系统获得应力随温度变化的曲线，展现出材料冷却过程监测系统的检测结果[3]。
4 结语
总而言之，利用物联网采集信息过程中，传感器作为其中的终端工具，关键技术的应用决定其物联网的不断发展。在技术逐渐发展过程，相关领域人员应准确掌握布拉格光栅的工作原理，利用此类型光纤传感器科学设计物联网监测平台，对复合材料的物体温度展开测量，通过动态解调仪，收集信息，对有有机材料温度应变进行监测，使传感器高效发挥作用，在物联网领域上有更广泛的应用。
参考文献
[1] 陈卓，马原.无线传感器网络的关键技术及其在物联网中的应用[J].信息与电脑：理论版，2019（7）：163-164.
[2] 赵芳.面向物联网应用的光纤传感监测系统研究[D].北京邮电大学，2018.
[3] 夏承龙.无线传感器网络的关键技术及其在物联网中的应用[J].通讯世界，2017（21）：66-67.
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