第十章 光纤传感技术—7讲解.ppt

第10章 光纤传感技术,光纤传感技术是伴随光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体、光纤为介质、感知和传输外界信号（被测量）的新型传感技术。光纤传感器始于1977年，经过30多年的研究，光纤传感器取得了积极的进展，目前正处在研究和应用并存的阶段。它对军事、航天航空技术和生命科学等的发展起着重要的作用。随着新兴学科的交叉渗透，它将会出现更广阔的应用前景,本章在简要介绍光纤传感器原理、组成及分类的基础上，重点讨论光纤传感的光调制方式及相应的光纤传感器，最后对分布式光纤传感器作简要介绍,10.8 光纤传感技术在物联网中的应用,现今，物联网已经发展成为了一个研究热点，而传感器是物联网的核心，光纤传感器具有一般传感器无可比拟的优势，因此，光纤传感技术在物联网的发展中得到了广泛的关注和应用。本节主要对物联网的界定、构成以及光纤传感技术在物联网中的应用加以介绍,10.8.1 物联网的基本原理 物联网是在互联网的基础上利用RFID无线射频识别技术、红外感应器、全球定位系统以及激光扫描器等信息传感设备将物品与互联网进行连接，实现信息交换和通信，从而实现智能化定位、智能化识别、跟踪、监控和管理的网络。物联网的概念是1999年提出的，其英文名称为“The Internet of Things，即“物物相连的互网络”。有两层含义第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络;第二，其用户端延伸 和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。 物联网的技术架构包括3个层面感知层、网络层和应用层,感知层主要是采集物品在物理世界中发生的各种数据信息，主要由传感器如温度传感器、声音传感器、振动传感器、压力传感器、终端、RFID标签和读写器、二维码标签和读写器、传感器网络等各种类型的采集和控制模块组成，与人体结构中皮肤和五官的作用相似。 网络层分为接人层和承载网络两部分，该层能够实现大范围信息沟通，通过现在已经存在的移动网络、互联网等通信系统，将感知层得到的数据信息传到地球各个地方，实现地球范围内的远距离通信。是物联网的神经中枢和大脑信息传递和处理中枢,应用层由各种应用服务器组成，该层的主要任务是在感知层和网络层的工作完成之后汇总获得的所有关于物品的信息，然后对信息进行再加工，进一步提高信息的综合利用度。该层是物联网与各种行业的桥梁，可以实现物联网技术应用到各个行业中，满足行业需求，实现行业的智能化。 物联网形成的步骤 对物体属性进行标识，属性包括静态和动态的属性，静态属性可以直接存储在标签中，动态属性需要先由传感器实时探测； 需要识别设备完成对物体属性的读取，并将信息转换为适合网络传输的数据格式； 将物体的信息通过网络传输到信息处理中心处理中心可能是分布式的，如家里的电脑或者手机，也可能是集中式的，如互联网数据中心IDC，由处理中心完成物体通信的相关计算与处理分析,10.8.2“三纤合一”的光纤物联网络 光纤物联网是“光纤传感”、“光纤传输”和“光纤互联网”的三纤合一的系统。对于重大的固定设施为终端用户，如电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、大坝、供水系统、长距离油气管线等的监测；地震监测；煤矿中的瓦斯检测、坑体结构的健康监测；大型地下设施的温度、火灾报警;用于军事或政府机构等敏感地区和设施的人侵定位、安防预警;军事中作为反潜声纳核心部件的水听器等等，用植人被测物体的各种光纤传感器得到所需被测参数，并以光纤传输到数据控制中心，并接人互联网，形成光纤物联网络，如图10.61所示,光纤物联网优点如下 光纤传感器与传统的非电量电测法的电传感器相比，具有显著的优点因为它是导光元件，所以完全不受电磁干扰，不受雷击，不受核辐射影响，可在易燃、易爆和电磁干扰等环境中工作。 光纤传感器与传统的传感器相比，具有更高的检测灵敏度，例如，典型的光纤光栅布拉格波长随温度、压力和应变变化的灵敏度分别为10pm/k,3pm/Mpa和1.2pm/；BOTDRAQ8603的应变测量精度则可达0.00330,特别是相位调制型光纤传感器具有极高的检测灵敏度，其可得到最小相位变化为10-7rad的测量精度。如采用保偏光纤，信号检测系统可测出1rad的相位移，则对每米光纤的检测灵敏度对温度为10-8，对压力为10-7Pa，对应变为10-7，动态范围可达1010。对于某些波长检测型的光纤传感器，当波长分辨率达到微米量级后，还可通过计算机数据处理将微米级的光波长细分到任意多的分数，进一步大大提高检测灵敏度。 鉴于光纤“传”“感”合一的特性，而形成的分布式传感系统，可在长距离的线路上进行连续的传感检测和被测信号的传输。这是任何其他无线检测手段所无法企及的,与无线检测方式相比，光纤物联网不受大气气候影响，不受地理环境干扰。在军事应用中有良好的保密性。 光纤物联网可移植业已成熟的光纤通信的技术成果，特别是网络技术。例如多传感器和传输光纤的连接技术；多传感器的解调技术，如时分复用、波分复用、频分复用、空分复用等技术。 光纤通信技术中非常成熟的光学元器件均可选用，如光源半导体激光二极管、LED、DFB激光器、光纤光栅激光器等，光电探测器 PIN管、APD管等，光纤无源器件光纤耦合器、光纤隔离器和环行器、光开关、波分复用器等,10.8.3 基于光纤物联网技术的智能 电网输配电设备监测系统 基于光纤物联网技术的智能电网输配电设备监测系统综合应用光纤传感技术、光纤复合电缆技术、电缆载流量动态分析系统软件和光纤宽带通信技术，实现了光纤与电缆一体化制造、在电力输配电线路上对输配电网设备、设施的状态在线传感探测及信息通信传输的一体化。使传统的电力电缆具有了智能化，采用光纤物联网技术实现了对输配电网的智能化监测和高速宽带通信,图10.62是l0 kV开关站集控平台光纤物联网网络拓扑。其结构可分感知层、网络层和应用层。 感知层包括敷设在变电站设施中的高温敏探测光缆和嵌人在l0 kV光纤中压复合电缆中的温度探测光缆、分布式光纤温度探测器 DTS。该部分主要功能是采集变电站内设备温度、环境温度、电缆内部温度等信息。探测对象包括干式变压器、接地电阻、绝缘母线、主变室、电缆沟、电缆竖井、开关室、电容器室等、l 0 kV光纤复合电缆如接头、长度、热点、断点等,网络层主要为嵌人在l0 kV中压复合电缆中的通信光缆、安装在变电站的光纤通信设备器件如光纤通信路由交换机、无源光网 络EPON设备器件等。该部分主要功能是采用较以往站间载波通信PLC更高速宽带可靠的通信方式，传递感测光纤探测到的信 息以及变电站内部电网“遥测、遥感、遥信、遥视”的信息通信，从电网站间的载波通信向高速宽带可靠的光纤通信传输升级。为智能电网的建设创建了信息高速公路。 应用层是l0 kV开关站集控平台光纤物联网中装有电缆载流量动态分析软件、温度异常定位预报警判断软件、基站数据上传处理软件等的信息集控平台和用户的接日。实现自我感知、判别和决策，通过电缆载流量动态分析等软件，分析处理来自通信光缆传递的测温光缆感知的温度信息、实时计算导体温度和载流量，为输电线路和电缆附件的故障监测和负荷管理提供全面而有效的解决方案，提高电网资产的利用率，发现潜在故障，实现预防性维护,该信息集控平台主要实现变电站内外设备设施的温度监测、消防预报警、电缆载流量热效应监测、电缆故障诊断和站间光纤通信功能如图10.63所示,图10. 63 10 kV开关站集控平台功能结构图,温度监测功能 该功能主要是实现对站内的变压器室、电缆沟、开关柜，站外的电缆排管无效孔、光纤中压复合电缆等设备设施进行高精度1、高分辨率0.1实时在线温度监测；且分区域、人性化、智能化的显示在信息集控平台上。电网监测中心通过信息集控平台，可查看整体及各区域的环境温度信息如二次控制缆电缆沟、l0 kV高压开关柜、一次供电电缆沟l0 kV,0.2 kV低压开关柜,一次供电电缆沟0.2 kV,1号变压器室和2号变压器室的温度信息状态。 温度监测功能如下 存储正常温度数据进行筛选式滚动存储，以减小对存储空间的占用；异常数据进行完整存储，保证数据的完全记录。 判别模式对于异常温度数据进行3种判别，分别为定温、差温以及温升。 输出对异常温度数据进行软输出、短信输出和数据上传；对于正常温度可根据用户需求进行短信输出。 查询分为按时间查找、按分区查找以及按时间和分区查找3种查询方式，查找所需温度数据信息,消防预报警功能 该功能主要是当发现所监测的变电站内变压器室、电缆沟、开关柜等处温度发生异常环境温度异常高或突发升高时，按所设置的预警阑值发出温度异常地定位信息预警。 当所预警地区域温度进一步异常发展达到火灾报警阑值时，发出火灾位置报警信息，同时联动站内的火灾联动控制器进行火灾消防处置。当报警状态发生时，信息集控平台将触发站内消防联动报警控制器，同时进行短信输出与数据上传;当预警状态发生时，进行除消防输出外的其他输出,由于光纤温度探测器能够进行同一区域的温度分级多次预报警，从而有效避免了原感温型火灾探测器的误报状况。提高了电网的抗灾能力。为消除气象和设备正常启动带来的误报，需要确认定温60及差温温升100C/min的报警阑值。 载流量监测功能 该功能主要是利用嵌人在l0 kV中压光纤复合电缆中的测温光缆和普通测温光缆，对中压光纤复合电缆、进站段复合电缆、站内l0 kV一次供电电缆和0.4kV一次供电电缆进行分别探测。基于分布式光纤测温系统对中压光纤复合电缆缆芯温度和l0 kV。0.4kV一 次供电电缆外护套温度的测量，通过电缆载流量分析软件计算出电缆导体的运行温度分布和电缆载流量的相关信息；通过分析计算，在确保电缆安全可靠运行的基础上，实现提高线路最大额定载流量、电缆线路隐患预警、故障分析和定位等功能,基于对电缆温度的测量以及电缆电流值，对电缆载流进行如下评估1给定过载电流和过载时间，计算出电缆导体的过载温度；2给定过载电流和最大允许温度，计算出允许的过载时间；3给定过载时间和最大允许温度，计算出最大允许的过载电流；4根据日负荷曲线计算出当天的动态载流量。 诊断功能 该功能主要是对变电站内运行中的变压器和开关柜设备信息、电缆信息等进行实时在线监测及故障诊断的综合显示；变压器周围环境信息由分布式光纤测温系统显示;变压器设备信息及诊断综合显示，包括周围环境信息、变压器运行状况信息和分析评估信息；电缆信息及诊断综合显示分区敷设信息、电流信息、站内及站外电缆温度信息、载流测评信息和电缆无效空温度信息,通信功能 该功能主要是利用l0 kV中压光纤复合电缆中的通信光缆进行10-35 kV站间通信，传输温度、电流等数据信息；另外，通过集成短信模块，个性化设定短信播报内容，包括各设备运行状况是否良好、目前存在的隐患以及火警的预警、报警，并以短信的方式将当前状态断纤、预警、报警、状态、日常发给相关责任人,10.8.4 基于光纤物联网技术的智能周界人侵防范系统 周界入侵防范系统属于物联网技术领域中发展非常成熟的一部分，根据周界系统中传感器的类型的不同，各种系统的技术解决方案也大相径庭；然而，基于光纤传感器的周界系统，是以光纤传感技术为基础的，随着光纤传感技术的成熟而发展起来的，目前正成为周界入侵防范技术领域中的一大亮点与热点。它的显著特点是采用光纤作为传感器，来感受外界侵扰信息。与传统的振动电缆传感器相比，光纤传感器在周界人侵防范应用中具有明显的技术优势，主要有无信号辐射、防静电和雷击、防电磁和射频干扰、防雷达辐射、耐腐蚀、适于多种恶劣工作环境、工作寿命长达20年以上等。这些特点使得光纤周界人侵防范系统得以进人一些以前不曾进人的领域，如机场、电站和军事基地等重要场所的大范围、长距离水中、地下布防；从而实现以前难以实现的技术目标，如卓越的抗干扰 性能、对象模式识别功能，从而大幅度地提高现有周界系统整体的防人侵能力,图10.64 光纤周界入侵防范系统的敷设方式,图10. 62是周界振动光纤入侵防范系统解决方案。以振动传感光纤为传感器，将围栏上的振动转换成电信号传给数字信号处理器，处理器据此来区分是剪断、抬起还是攀爬动作。 系统采用现代多媒体及数字化监控技术，形成数字化、智能化、网络化的安全防范系统，并能通过统一的通信网络平台和管理软件将中央监控室设备与各个子系统设备联网，实现监控中心对全系统信息集成的自动化管理。 系统通过一条感应光缆构成分布式的光纤传感网络。即采用单根光纤光缆实现了整个周界的人侵防范工作，为系统的维护带来了极大的便利性。与其他采用多个分立传感头的人侵防范方案相比，等于用一个部件代替了数百个部件，因此平均故障时间大大降低,同时，光纤的故障查找和维护完全基于成熟的通信技术协议。比如一旦出现断点，可以采用TIER光时域反射器和熔接机结合的手段，迅速找到故障点，恢复后几乎没有影响。同时，光纤不受天气、季候、温度影响，耐腐蚀、抗电磁干扰，较之其他基于金属或电传感器的安防设备，极大降低了设备的维护率。 光纤周界人侵防范系统所采用的技术主要取决于传感器的种类，每种传感器根据其探测的原理、成本、误报率的不同特性，系统设计时需要选择不同的传感器类型，来搭建不同的周界安防系统。光纤周界系统基本工作原理，如图10.65所示,光纤周界系统是基于光的干涉原理和装置，来实现扰动信息获取的。图10.65中，传感光纤和反射镜、全光纤干涉模块共同构成光的干涉装置。光从全光纤干涉模块的输人端日进人，经光纤干涉模块处理后的光输人到传感光缆上，在传感光缆的末端经反射镜反射后，重新进人传感光缆，最后回到全光纤干涉模块。该干涉模块是由光无源器件构成。经不同光路到达干涉模块输出端日的光在此汇合，发生干涉，输出端日的光强随着相互干涉的光之间相位差的变化而变化。当有外界扰动作用在传感缆上时，就会引起干涉光波之间相位差的变化。对应不同的扰动特征，会产生不同的相位变化，因此，通过对干涉系统输出光强变化特征的分析，可以判断相应的扰动特征；辨别该行为的性质，决定是否是需要发出报警信号,图10.65 光纤周界系统工作原理,10.8.5基于光纤物联网的桥梁健康监控系统 在公路、桥梁、隧道和建筑等重大工程建设及使用过程中，经常会出现隧道局部坍塌、渗漏以及火灾，桥梁局部裂缝、崩塌等现象，不仅严重威胁着人民的生命及财产安全，还影响了国民经济的快速稳定发展。将光纤传感器嵌于这些建筑物或者公共设施内部，可以感受桥梁的结构变形、结构动态特性及交通荷载等状况，同时利用张力传感器感受隧道容易发生塌方的局部的变形情况，这些信息可以与互联网相结合，形成一个“光纤物联网”，实现对这些基础设施的长期稳定的实时监测，减少事故的发生。 桥梁健康监控系统是一个以桥梁结构为平台，应用现代传感技术、通信网络技术和计算机技术，优化组合结构监控、环境监控、交通监控、设备监控、综合报警、信息网络分析处理各功能子系统为一体的综合监控系统。其系统的总体架构如图10.66所示,图10. 66 桥梁健康监控总体架构示意图,桥梁健康监控系统是通过全站仪技术、光纤光栅传感及解调技术、中间件技术、可视化技术对桥梁结构的拱肋变形、拱座水平相对位移、拱座不均匀沉降、主梁变形、吊杆系杆索力、拱肋主梁应变及环境信息进行实时在线监测。同时与定期检测系统、桥梁设计与荷载试验资料库协同作用，将定期巡检相关信息以及桥梁设计与荷载试验资料录人该系统，形成综合电子化管理，为桥梁管理、养护提供决策依据。 应用于桥梁健康监控系统中的物联网技术主要有光纤光栅传感与解调技术、通信接日与数据传输技术、中间件技术、Web Service与数据可视化分析技术,光纤光栅传感与解调技术 桥梁健康监控系统中部署了大量的多种类型传感器，每个传感器都是一个信息源，不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同。传感器获得的数据具有实时性，按一定频率周期性采集环境信息，不断更新数据。 光纤光栅传感通过检测每段光栅反射回来的光信号波长值变化，实现对被测参数的测量，其中，一个波峰代表一个光纤光栅传感器，可以在一条光纤上实现多点分布式测量。光纤光栅的反射波长受外界应力和温度变化而变化，同时这种变化具有非常好的线性。光纤界应力和温度变化而变化，同时这种变化具有非常好的线性。光纤光栅的反射波长对温度和应变非常敏感，对温度为10.3 pm/，对应变为1.2 pm/。在桥梁健康监控中用的传感器主要是光纤光栅传感器，光纤光栅传感器除了具有传统电类传感器功能外，它还具有分布传感、抗电磁干扰、精度高、长期稳性好、易于布设等优点,通信接日与数据传输技术 光纤传输是一种以光导纤维为介质，以光的形式进行的数据、信号传输方式，不仅可用来传输模拟信号和数字信号，而且可以满足视频传输的需求。光纤传输具有衰减小、频带宽、抗干扰性强、安全性能高、体积小、重量轻等优点，所以在长距离传输和特殊环境等方面具有无法比拟的优势。 全站仪与光纤光栅解调仪和服务器之间数据传输通信接日采用的是RS-232-C, RS-232-C采用的是串行通信方式，允许全双工通信，它因具有传输线少、成本低、配线简单、数据传输稳定等优点而广泛应用于计算机与终端通信设备之间的通信,中间件技术 在桥梁健康监控系统中，中间件在光纤光栅解调仪和数据传输处理服务器之间，主要任务是完成光纤光栅解调仪和系统应用程序之间的通信。其基本原理是通过程序代码调用计算机RS-232-C通信接日，将从串日获取的数据字符串按照通信协议进行数据解析、格式处理得到监测的物理数值，再将这些数值同时发送给实时监控程序和数据库服务器以实现实时数据显示和数据存储,Web Service与数据可视化分析技术 Web Service最大优势是提供了异构平台无缝衔接技术手段，它主要通过SOAP，即简单对象访问协议，实现不同系统间的通信。它将程序对象编码成为独立与平台XML对象的规则，执行远程过程调用RPC的约定从而实现不同平台、不同系统间通信。 数据可视化是关于数据之视觉表现形式的研究，旨在借助于图形化手段，清晰有效地传达与沟通信息。其基本思想是将数据库中每一个数据项作为单个图元元索表示，大量数据集构成数据图像，同时将数据各个属性值以多维数据的形式表示，可以从不同维度观察数据，从而对数据进行更深人观察和分析