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光纤传感技术论文8篇

时间:2023-03-16 15:47:53

光纤传感技术论文

光纤传感技术论文篇1

关键词:光纤通讯 教学改革 课程设置

中图分类号:G642         文献标识码:A        文章编号:1674-2117(2014)14-00-02

 近年来,我国信息技术飞速发展,带来了信息科技与技术高速发展的时代。信息科技产业发展的重点是光纤通信技术,它是一门飞速发展的技术学科。为了适应信息科技飞速发展和通信行业对人才需求的变化,我国许多高等学府都设立了光电信息通信类的专业。这些专业都以光信息科学技术为核心。光信息科学是一门综合性很强的学科,它包括光子技术、电子技术、通信技术和信息技术等。

光纤是大量信息传输的重要媒介和人们实现信息获取的重要途径。因此,在其专业课程的设置中,专业的核心主干课程应为光纤类课程,它既是专业类课程也是学科上的特色课程。我国高等学府对光纤传输的物理基础和光纤技术的应用进行全面的阐述并都设置了光纤类学科的课程。但是,由于光纤类学科课程在教学内容、课程设置上与社会所需人才培养上存在着一些问题,致使此类学科的改革刻不容缓。

1 光纤类学科课程体系的构建

当今社会经济、政治都发生了深刻的变化以及科技飞速的发展导致光电通信行业对人才的需求越来越多样化。多样化的人才需求促使我国的高等教育要实行改革,要向基础化和综合化的方向不断地发展。在人才培养上要加强专业基础理论的设置、扩宽专业口径的学习和素质教育。要实现宽口径、厚基础、强素质、广适应的信息人才的培养[1]。

1.1 光纤光学是获取信息的物理基础

专业的基础学科是培养过程中传授学科的基础知识,是高等教育的基本工作。在人才培养的过程中高等学府设置基础课程“光纤光学”,为学生提供宽厚的光导纤维的基础理论知识,讨论传输的模式理论、模耦合理论和光纤的传输特性。在这门专业基础课程的教学中,我们要着重强调基本理论的讲解。基本理论是整个学科的基础,在讲解上要尽量运用实例进行分析,这样才能让学生更加透彻地了解基本概念。理论是应用的基础,只有理论牢固,才能更好地学习以后的光纤技术应用的课程。

1.2 光纤通信和光纤传感是光纤技术的应用

光纤技术从信息领域的角度考察,主要是设计两个方面的内容,即信息的传输和采集。信息的传输是属于光纤通信技术,而信息的采集则是属于光纤传感技术。为了紧跟信息技术的发展,高等学府在教学设计和教学内容的设置上,应随着光纤信息技术的发展而发生变化。在课程设置上应有正确的定位,要通过光纤的基本原理和光器件原理对通讯网络进行阐述和讲解,使学生能够掌握光纤通信的基本原理。只有在原理的基础上方能够对信息的传播和采集有深刻的理解。总之在课程的设置上要把握研究光信息科学发展的基本规律与技术专业人才培养的机制,要以科学的方法为基础,更要把握国内外光纤类学科设置的现状、问题以及趋势,调整光纤类课程的结构体系,建立起基础性强、可操作性强的光纤类学科课程体系[2]。

2 教学课程内容的组织和融合

光纤通讯的人才是具有创新思维和创新能力的高素质、高能力的复合型人才。在光纤系列课程的设置上要针对以上特点并根据光电信息专业人才所需的知识、技术和能力从整体的高度打破传统的教学模式和课程体系,根据行业所需的人才设置光纤类学科课程,进而将其具体化。此外,还应该解决原来各课程中对单一对象和知识进行整合的问题,避免其内容的重复化,重新建立课程结构体系和内容,将教学的内容有机的结合,使其更加丰富。

2.1 理论教学内容的设置

由于光信息科学的发展有着自身的规律,在光纤通讯的课程的设置上要符合这一规律。在课程设置上要将光纤结构知识模块化,只有将其具体的模块化才能更加清晰地进行课程设置,具体分为以下模块:光纤传输理论模块、光纤特性模块、光纤器模块、光纤通信原理模块、光纤通信技术模块、光纤传感原理模块和光纤传感应用模块。见表1。

通过对光纤光学、光纤通讯原理与技术、光纤传感测试技术等三个课程的教学内容进行重新的组织和编排,使这三个课程相辅相成,形成一体。在对各个课程体系安排的同时要对每个课程的侧重点进行明显的突出,使其做到特点鲜明、协调统一。

2.2 实验教学内容的设置

现代人才的培养不仅要强调基础知识、对其创新意识和动手能力都有着一定的要求。实践教学过程已经成为理工科培养人才的重要环节。光信息学科是一门理论与技术相结合的新型学科,对于教学内容的设置上既要有理论知识,同时也要重视实验教学项目。在实验课程的设置上,好的实验仪器是必不可少的,如应配备光纤熔接机、光时域反射仪、光纤信息及传感实验系统等[3]。

(1)光纤基础操作实验。光纤基础实验是学生要掌握的基本实验内容。在实操时要在一定程度上能操作整个实验,这是这个学科实操的重点。基本操作实验是指:光纤数值孔径的性质和测量实验;管线传输耗损性质与测量实验、光源与光纤耦合方法实验、光纤可调衰减器特性实验、光纤隔离器特性及参数实验、半导体激光器和发光二极管特性测试实验、模拟信号光纤传输实验、数字信号光纤传输实验等基础的实验项目。这些实验都是本学科的基础,对学生了解光纤的基础知识有着重要的帮助,应将其内容设置到教学的课程中,要求学生能够掌握。

(2)特种光纤及模式功率分布传感原理实验、光纤分束器参数及MZ干涉仪原理实验、光纤传感的压力测量实验等。这里技术光纤技术实验的内容都为必修的实验内容。

在实验的操作中学校要给学生提供方便,对仪器的操作教师都应尽量地进行实际的指导,并对实验室进行全面开放,帮助学生进行仿真模拟实验。还可以根据学生的特点和兴趣点,选择一些实验项目或者以组单位自己搭建实验系统,这样不仅能够提高高校仪器是使用率,更重要的是培养学生做实验的兴趣和提升学生实际操作的能力[4]。

综上所述,光纤通讯是一个综合性强的学科,对理论和实际操作的能力都有着一定的要求。我们在该学科的设置上要符合光信息科学发展的基本规律,还要结合光信息科学与技术专业人才培养的机制。更要把握我国光纤教学现状以及问题,根据实际情况,构建适合光纤类课程的结构体系。在整个课程的设置方面要强调基础、突出应用。要将理论基础与实践教学相融合,同时教学改革思路也要遵循该原则对整个课程进行设置。要加强实验环节,要运用多种教学手段进行创新教育,使学生对原理知识理解的同时,努力提高对应用环节的操作,培养其动手的能力,使其学以致用。同时要有特色的教学内容,让学生对光纤通讯技术产生兴趣,把枯燥的知识变得有趣,使其适应社会的需求。

参考文献:

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光纤传感技术论文篇2

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参考文献

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光纤传感技术论文篇3

【论文摘要】:介绍了光纤传感器的基本构成及原理,综述了近年来光纤传感器技术的应用和发展,对光纤传感技术的研究发展方向进行了展望。

光纤传感器随着光纤通信技术的实用化有了迅速发展,且以体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等明显优于传统传感器的特点,其应用范围深入至国防军事、航天航空、土木工程、电力、能源、环保、医学等。现如今光纤传感器已经能够对温度、压力、温度、振动、电流、电压、磁场等物理量进行测定,发展空间相当广阔。

1. 光纤传感器的基本构成和组成原理

光纤传感器主要由光源、光纤与探测器3部分组成,光源发出的光耦合进光纤,经光纤进入调制区,在调治区内,外界被测参数作用于进入调区内的光信号,是其光学性质如光的强度、相位、偏振态、波长等发生变化成为被调制的信号光,再经过光纤送入光探测器而获得被测参数,光纤传感器中的光纤通常由纤芯、包层、树脂涂层和塑料护套组成,纤芯和包层具有不同的折射率,树脂涂层对光纤起保护作用,光纤按材料组成分为玻璃光纤和塑料光纤;按光纤纤芯和包层折射率的分布可分为阶跃折射率型光纤和梯度折射率光纤两种。光纤能够约束引导光波在其内部或表面附近沿轴线方向向前传播,具有感测和传输的双重功能,是一种非常重要的智能材料。

2. 光纤传感器的类型及特点

光纤传感器的类型很多,按光纤传感器中光纤的作用可分为传感型和传光型两种类型。

传感型光纤传感器又称为功能型光纤传感器,主要使用单模光纤,光纤不仅起传光作用,同时又是敏感元件,它利用光纤本身的传输特性经被测物理量作用而发生变化的特点,使光波传导的属性(振幅、相位、频率、偏振)被调制。因此,这一类光纤传感器又分 为光强调制型,偏振态调制型和波长调制型等几种。对于传感型光纤传感器,由于光纤本身是敏感元件,因此加长光纤的长度可以得到很高的灵敏度。

传光型光纤传感器又称非功能型光纤传感器,它是将经过被测对象所调制的光信号输入光纤后,通过在输出段进行光信号处理而进行测量的。在这类传感器中,光纤仅作为传光元件,必须附加能够对光纤所传递的光进行调治的敏感元件才能组成传感元件。

3. 光纤传感器的应用

光纤传感器的应用范围很广,几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活,尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用,解决了许多行业多年来一直存在的技术难题,具有很大的市场需求。主要表现在以下几个方面的应用:

(1) 城市建设中桥梁、大坝、油田等的干涉陀螺仪和光栅压力传感器的应用。光纤传感器可预埋在混凝土、碳纤维增强塑料及各种复合材料中,用于测试应力松弛、施工应力和动荷载应力从而来评估桥梁短期、施工阶段和长期营运状态的结构性能。

(2) 在电力系统,需要测定温度、电流等参数,如对高压变压器和大型电机的定子、转子内的温度检测等,由于电类传感器易受强电磁场的干扰,无法在这些场合中使用,只能用光纤传感器。分布式光纤温度传感器是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高新技术,分布式光纤温度传感系统不仅具有普通光纤传感器的优点,还具有对光纤沿线各点的温度的分布式传感能力,利用这种特点我们可以连续实时测量光纤沿线几公里内各点的温度,定位精度可达米的量级,测温精度可达1度的水平,非常适用于大范围多点测温的应用场合。

(3) 在石油化工系统、矿井、大型电厂等,需要检测氧气、碳氢化合物、co等气体,采用电类传感器不但达不到要求的精度,更严重的是会引起安全事故。因此,研究和开发高性能的光纤气敏传感器,可以安全有效地实现上述检测。

(4) 在环境监测、临床医学检测、食品安全检测等方面,由于其环境复杂,影响因素多,使用其它传感器达不到所需要的精度,并且易受外界因素的干扰,采用光纤传感器可以具有很强的抗干扰能力和较高的精度,可实现对上述各领域的生物量的快速、方便、准确地检测。目前,我国水源的污染情况严重,临床检验、食品安全检测手段比较落后,光纤传感器在这些领域具有极好的市场前景。

(5) 医学及生物传感器。医学临床应用光纤辐射剂量计、呼吸系统气流传感系统;圆锥形微型fos测量氧气浓度及其他生物参数;用fos探测氢氧化物及其他化学污染物;光纤表面细胞质粒基因组共振生物传感器;生物适应fos系统应用于海水监测、生化技术、医药。

光纤传感器在实践中运用到的例子举不胜举,这些技术都是多学科的综合,涵盖的知识面广,象光纤陀螺,火花塞光纤传感器,光纤传感复合材料,以及利用光纤传感器对植物叶绿素的研究等等;随着科技的不断进步,越来越多的光纤传感器将面世,它将被应用到生产生活的每一个角落。

4. 光纤传感器的技术发展方向

光纤传感技术经过20余年的发展也已获得长足的进步,出现了很多实用性的产品,然而实际的需要是各种各样的,光纤传感技术的现状仍然远远不能满足实际需要。目前,光纤传感器技术发展的主要方向是。

(1) 传感器的实用化研究。即一种光纤传感器不仅只针对一种物理量,要能够对多种物理量进行同时测量。

(2) 提高分布式传感器的空间分辨率、灵敏度,降低其成本,设计复杂的传感器网络工程。注意分布式传感器的参数,即压力、温度,特别是化学参数(碳氢化合物、一些污染物、湿度、ph值等)对光纤的影响。

(3) 传感器用特殊光纤材料和器件的研究。例如:增敏和去敏光纤、荧光光纤、电极化光纤的研究等。这些将是以后传感器进一步发展的趋势。

(4) 在恶劣条件下(高温、高压、化学腐蚀)低成本传感器(支架、连接、安装)的开发和应用。

(5) 新传感机理的研究,开拓新型光纤传感器。

参考文献

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光纤传感技术论文篇4

1、光纤纤芯,由石英玻璃制成的横截面积很小的双层同心圆柱体。性脆,易断裂,需外覆保护层。可分为微结构光纤和保偏光纤,可以用来传输数据,涉及主要有军事、国防、航空航天、能源环保、工业控制、医疗卫生、计量检测、食品安全、家用电器等诸多领域。

2、1966年高锟先生在文章中首次提出利用介质光导纤维以光载波传输信息,由此奠定了光纤作为介质传光的理论基础。经过几年的研究,1970年美国康宁公司首次拉制出损耗为20dB/Km的光纤,较大地降低了光纤的传输损耗从此使光纤通信技术的发展成为可能。近年来科研工作者研究发现,由于光纤具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、体积小、易于集成等优点,光纤传感技术成为光电技术领域活跃的分支之一。

3、光纤传感技术涉及领域广泛,主要有军事、国防、航空航天、能源环保、工业控制、医疗卫生、计量检测、食品安全、家用电器等诸多领域。其中涉及到的几种主要传感器主要有:光纤陀螺仪、光纤水听器、光纤光栅温度传感器、光纤电流互感器等各种光纤传感技术。微结构光纤及保偏光纤以其灵活的结构和奇异的特性成为光纤传感领域的中坚力量。

(来源:文章屋网 )

光纤传感技术论文篇5

关键词:光纤传感技术;结构健康监测;BOTDR;FBG

引言

随着我国经济建设的快速发展,各类土建工程纷纷上马,其中不乏很多大型工程结构和基础设施,如超高层建筑、水坝、桥梁、隧道、地下人防工程等。这些大型工程结构往往服役时间较长,在其使用期内由于地震、洪水和台风等环境因素的作用不可避免的要产生损伤。这些大型结构的健康监测工作因而变得十分重要,工程监测也已发展成为一个重要的研究课题。

目前广泛用于工程结构上的检测系统,主要由若干种传感器构成。这些传感器布设在结构中,采集应力、应变、位移、温度等物理力学参数。常规的传感器有差动电阻式、电阻应变计式、电感式、弦式等,其中最常用的是差动电阻式及弦式传感器。常规传感器有着悠久的使用历史和广泛的应用;在大量的使用过程中,工程人员也积累了许多实际经验,因而仍是目前建构健康监测的主力。但是另一方面,常规传感器在实践过程中也包露出其局限性,主要表现在[1]:

1.点式检测,监测范围小,连续性不好。常规传感器的点式布置方法决定了其在空间分布上的不连续性,这种不连续带有一定的随意性,最危险的部位常常会被遗漏;由于传感器在结构物中不能无限地布设,因而实际检测效果要大打折扣。

2.传感器成活率低、稳定性差。常用的传感器多为橡胶导线、金属封装,在恶劣的环境中橡胶老化、金属氧化腐蚀,接触不良、线路断裂更时有发生,导致传感器实际成活率和稳定性均不高。

3.自动化程度低、覆盖率有限、集成度差。目前工程中很多监测技术实则为检测技术,属于静态观测,而非实时的,这无法满足工程监测自动、实时的要求。此外,传感器的点式布设方式决定了其覆盖率不会很高,对长达数十公里(隧道)或数十平方公里(大型基建设施)的工程而言,这一方法显得无能为力。

随着现代科技发展,传统的结构健康监测技术也面临着更新换代,现代化的结构健康监测需要新鲜血液的补充。本文旨在介绍近十几年发展迅速的光纤传感技术并着重介绍其在土木工程监测中的应用现状及发展。

1.光纤传感技术

光导纤维(Optical Fiber),简称光纤,是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。当光纤所处位置的温度、应力等环境条件发生变化时,会引起光纤传输的光波强度、相位、频率、偏振态等特征参量变化,通过测量这些光波量的变化,就可以分析得到相应的温度、应力等物理量的变化,这就是光导纤维传感器的原理[2]。按照是否对测量信号进行调制来划分,光纤传感器可分为非本征型和本征型两类[3]。非本征型管线传感器中光纤只传输信,作用相当于导线,由其他探测装置调制获取信号。本征型光纤传感器不仅传输信号,也起着传感作用。我们通常所说的光纤传感器即是指本征型光纤传感器。其原理如图1所示。

与传统的电信号传感器相比,光纤传感器的主要优点如下[4,5]:1.抗电磁干扰能力强。适用于恶劣环境中的监测工作。2.体积小、质量轻。便于埋入结构内部,对被测结构影响小。3.耐腐蚀。光纤表面涂覆层是由高分子材料组成,耐腐蚀性强,适用于长期监测。4.能实现分布式测量。适用于大体积、长线路的监测工程。5.灵敏度高。由于采用了波长调制技术,测量分辨率可达到波长尺度的纳米量级。

目前国际上主流的传感技术包括[6]:基于自里渊散射和受激布里渊散射原理的全分布式光纤传感技术(如BOTDR/BOTDA)、基于拉曼背向散射原理的全分布式光纤传感技术(如ROTDR)、基于瑞利散射的全分布式光纤传感技术(如OFDA)以及基于布拉格光纤光栅的准分布式光纤传感技术(如FBG)等。国际上光纤传感器的研究与应用处领先地位的美国和日本,其中美国偏重于军用而日本偏重于民用;此外,在欧洲关于光纤传感器的研究与应用也开展得较为广泛。目前国内发展较成熟、应用较多的是基于自里渊散射BOTDR传感技术和基于布拉格光纤光栅的FBG传感技术。

1.1BOTDR基本原理

BOTDR是布里渊光时域反射计(Brillouin Optical Time-Domain Reflectometer)的简称。光在光纤中传输会产生非线性散射,其中布里渊散射的阈值较低,是较为常见的一种非线性散射。布里渊散射同时受温度和应变的影响,当光纤沿线的温度改变或存在轴向应变时,光纤中背向布里渊散射光的频率将发生漂移,而此漂移量与光纤温度及应变的变化呈线性关系,因而通过测量漂移量即可得到光纤沿线温度和应变的分布情况。

1.2FBG基本原理

FBG是布拉格光栅(Fiber Bragg Gratting)的简称。FBG是利用光敏光纤在紫外光照射下产生的光致折射率变化效应,使纤芯的折射率沿轴向呈现出周期性分布而得到的。在光纤光栅全长范围内,周期和折射率是均匀的。当待测量(温度或应变等)发生扰动时,光纤光栅的折射率和周期将发生相应的变化,进而使光纤光栅的布拉格反射波长漂移,而通过测取此波长的漂移量即可获得待测量的变化[9]。

2.光纤传感技术的工程应用

光纤传感技术广泛引入我国是近20年的事,在科研之余,许多学者致力于将这一技术推广到工程应用,并在结构工程、隧道工程、边坡工程、基坑工程等各领域取得了显著的成果。

2.1结构监测

大型结构工程因其结构与施工的复杂性,常需进行多点监控,传统的传感器布设效率低且存活率差,往往不能得到理想的监测结果。光纤传感器体积小且属于分布式,很适合大型工程施工监测。李宏男等[10]采用了不锈钢钢管封装自行研发的FBG应变传感器与温度传感器,并将其埋入一栋5层的钢混结构,监测在在施工过程中梁、柱的应变与温度变化。其研究结果表明,埋入的FBG传感器可以方便地监测施工过程中混凝土结构内部温度与应变的变化,为混凝土结构的健康监测提供详实的依据;并且,用该种方式封装的FBG传感器传感性能良好,成活率高,寿命长,这为光纤传感器在结构内部布设提供了一个良好的思路。

赵鸣等[11]应用FBG进行大体积混凝土基础表面温度和内部最高温度的监测。通过在混凝土内部埋置光纤光栅传感器来对在浇筑以及养护过程中的温度变化进行实时监测,成功预测了基础混凝土中的温度应力,并采取有效措施控制了混凝土的最大温差,确保了基础底板混凝土的施工质量。

2.2隧道工程

隧道工程往往工程量大、安全要求高,需要监测的数据量也大,其特殊的监测需求正与光纤传感监测特性相匹配。施斌等[12]在一个隧道工程实例中引入了BOTDR传感监测技术,应用以全分布为主,点测为附的全线布测方案,实现了结构整体变形及局部破损点位变化的监测。此外,通过人为制造1m 长度应变段,验证了监测系统的灵敏性;并通过与室内试验结果的误差比对,验证了精度。

2.3边坡工程

边坡工程最为常见、分布广泛,每个边坡工程都需要进行大量、系统的监测,将光纤传感技术用于边坡工程是物尽其用。基于光纤布拉格光栅研制了原位测斜仪。以原位测斜仪在边坡坐标系中的位置和滑裂面的形状为约束条件,建立最优化数学模型来推求潜在滑裂面的具置。在工程现场安装了近百个光纤光栅传感器,组建了一个光纤传感边坡监测与预警系统,对边坡的加固效果及稳定状态进行了长期监测。监测的主要对象是边坡的变形趋势以及土钉、

抗滑桩的受力性状。施斌[12]等通过室内小比例尺模型试验,分别将光纤植入土工布和土工格栅等柔性复合材料中并一起铺设在边坡模型不同深度处,利用BOTDR监测边坡在外荷作用下的变形特征。

2.4基坑工程

同边坡工程相似,基坑工程分布广泛,监测任务繁重,很适合引入光纤传感监测手段。

2.5其他工程监测

在模型试验、管道工程、海堤工程中,基于光纤传感技术的监测手段也被广泛应用。

3.结论

1.光纤传感技术具有分布式、长距离、实时性、抗干扰性强和耐久性长等特点,具有较高的应变测量精度,是大坝、桥梁、桩基础、基坑、边坡、隧道等工程的一种理想监测技术;

2.文中提及的两种光纤检测技术,FBG适用于模型试验或具体工程关键部位的检测,定位精准;BOTDA/BOTDR适用于大型工程的全线监控。二者结合使用可以建立疏密结合的空间检测网络,即可覆盖室内模型试验、具体工程项目节点部位检测、以及大型模型或大型工程的全线监控。

3.光纤传感技术及其应用还有进一步的发展空间,需要大量的理论及实践研究。

参考文献:

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光纤传感技术论文篇6

关键词:分布式光纤温度传感器;渗漏监测;进展

中图分类号: TP29 文献标识码: A 文章编号: 1673-1069(2016)31-150-2

0 引言

随着社会的进步,科学技术得到了快速的发展,使得各种渗漏监测技术不断涌现。传统的点式监测技术由于无法实现整体性覆盖,在监测的过程中会出现很多盲区,不利于工程的安全进程,尤其是针对一些线路比较长、分布比较广的工程,如油、气管道和堤坝工程,一旦安全隐患增多,将会出现严重后果。在这类工程中,如果增加监测点,会增加很多额外的成本,同时施工难度也会加大。分布式光纤温度传感器的出现,很好地解决了这个难题。利用分布式光纤温度传感器,能够完全覆盖所要检测的对象。该传感器的传感部件和信号传输部件都属于功能性光纤,成本较低。在实际的工程过程中,分布式光纤传感器可以利用光时域技术对渗漏部分进行定位,并能够实现实时监测,而且,该技术施工简单,监测范围广,监测距离长,抗腐蚀、耐高温、抗高压、防雷击、抗电磁辐射能力都比较强,在渗漏监测领域得到了广泛应用。

1 分布式光纤温度传感器的工作原理

温度示踪原理是分布式光纤温度传感渗漏监测技术的基础。其基本工作原理是:渗漏的水流(或者油、气)在与土壤和地下光纤接触时,会出现热传递,在它们进行热量交换的过程中,使得渗漏部位与非渗漏部位的温度产生差异,尤其是渗漏水流(或者油、气)的流速越大,渗漏部位的温度变化就越大。此时,我们可以利用这种渗漏部位与非渗漏部位之间的温度差异实现渗漏监测,即利用温度场反馈渗流场。这种检测方法的前提是渗漏水流(或者油、气)与土壤存在较大的温度差异,如果温度差异不明显,我们可以对光纤进行加热,人为改变温度差异。这样一来,我们就可以将检测方法进一步分为梯度法和加热法两种方法。

1.1 梯度法

所谓梯度法,就是直接利用渗漏水流(或者油、气)与土壤之间的温度差异进行渗漏监测。首先对土壤温度场分布情况进行测量,然后对测量结果进行分析,如果发现土壤局部范围内温度变化比较大,可以利用光纤温度场进行分析,进而确定发生渗漏的部位。想要确定渗漏流速,就可以根据已有的温差和渗漏流速关系模型,对监测的温度场进行深度分析,从而确定渗漏的流速。利用梯度法进行渗漏监测时,必须加深光纤的埋置深度,否则光纤温度容易受到外界温度的影响,对监测结果影响较大。此外,渗漏水流(或者油、气)也要和土壤具有明显的温度梯度。因此,梯度监测方法受到季节变化的影响比较大,进而使得梯度监测法的使用范围受到了一定的限制。

1.2 加热法

加热监测法,顾名思义就是人为的对光纤进行加热,从而使渗漏水流(或者油、气)与光纤产生一定的温度差异。利用加热法进行监测时,需要在光纤周围并行设置特别的导体,测量之前需要首先将导体通电,提升光纤周围的温度,然后再进行光纤温度场的测量。如果存在渗漏点,该部位的温度会明显低于其他部位,这样就可以很容易的确定渗漏部位。与梯度法类似,我们也可以通过温度升高与渗漏流速的关系模型,对渗漏流速的大小进行确定。由于季节的变化不会对加热法造成影响,使得加热监测法比梯度监测法的应用范围更加广泛。

2 国内研究现状

当前,我国在分布式光纤温度传感渗漏监测技术方面的研究仍然处于定性监测阶段,也就是说,我们仅仅将其作为确定渗漏部位的一种技术手段,而利用该技术实现渗漏的量化监测,相关研究者仍在模拟和试验,而且该研究在理论方面主要包含理论推导和有限元模拟等内容。因此,对分布式光纤温度传感器技术仍需继续研究。

在理论分析方面,肖衡林等以多孔介质传热理论基本假定为基础,结合分布式光纤温度传感原理推导分析得出计算渗流流速的理论解,该理论解描述了渗流流速与多孔介质导热系数、孔隙率和外加热功率等因素的关系,目前该关系尚未得到验证;陈江等提出以多孔介质-热源-FBG的共轭传热数学模型理论为基础的热脉冲法,采用ADINA进行数值模拟,得出温升与渗流速度及加热功率的关系;陆艳梅等根据热传导方程及系统能量方程提出了大坝渗漏传热模型,并根据边界条件及初始条件推导出拉氏空间下以Bessel函数表示的无量纲解析解,同时结合工程实例验证了该模型的合理性;王新建等利用叠加原理推导出堤坝多渗漏通道温度场解析解,并利用BURSA-WOLF模型转化坐标,运用最优化方法迭代出堤坝集中渗漏通道位置的数值解,结合工程实例确定了渗漏通道的位置,证明了该方法的有效性;董海洲等利用热平衡理论及坝体周围土体温度变化与集中渗漏流速关系建立了数学物理模型,在层流和紊流2种不同流态下探讨了渗流流速的确定方法,并结合实例验证了其正确性。

3 发展趋势

分布式光纤温度传感器优势明显,例如成本低廉、耐高温、耐腐蚀、稳定性也较强,因此其在渗漏监测领域的发展前景良好。但是我国对分布式光纤温度传感渗漏监测技术的研究仍然处于初级阶段,还需要对其进行更加深入的研究。

3.1 实现定量监测

当前我国还没有实现利用分布式光纤温度传感器对渗漏量进行定量监测,只是在研究的过程中积累了部分实验数据和理论模型,不过因为地下土壤成分复杂,加上各种实验条件难以达成,在该方面的研究成果尚不能统一,仍需要进一步的研究确定。但是在我国《土石坝安全监测技术规范》中,有关土石坝的渗漏量监测方面的规定,对未来实现渗漏量的定量监测具有深刻意义。

3.2 考虑施工控制因素

3.2.1 压实度

压实度在实际工程中具有非常重要的作用,例如,在土石坝工程施工中,工程施工质量的主要指标中就包含土体的压实程度,并且在相关规范中对土壤的压实度也有明确规定。由此可见,要想将研究成果顺利应用到实际中,还需要对实际工程的施工内容进行深入分析。众多周知,土壤的压实度与土壤渗透性关系密切,在土壤相同的条件下,土壤压实度与土壤渗透系数属于反比例关系。从现有的研究成果看来,压实度对渗透性的影响还不够全面,需要在后续的研究中进行重点分析。

3.2.2 现场光纤网络布置方法

利用分布式光纤温度传感器进行渗漏监测的时候,需要在监测范围内按照一定的原则进行光纤网络布置,即光纤布置应该简洁、经济,最主要的是做到对检测范围的全覆盖。对于正在建设的工程,在布置光纤时,难免影响施工进度,而且施工和光纤布置同时进行也容易损坏光纤,埋设的传感器成活率无法保证;对于线路比较长的工程,比较适合选择加热监测法,但是需要保证对加热电线的网络设计不会对施工安全造成影响;对于已经建设好的工程,则应该注重布置光纤时的打孔尺寸,避免尺寸过大影响工程的安全性能。可见,在不同的工程中,进行光纤布置时需要区别对待,并做好经验积累。

3.3 其他辅助监测手段

在工程监测方面,还包含光纤光栅传感器、测压管等多种手段。当工程的检查项目比较多时,应当充分考虑各种监测手段的优劣势,取长补短,将多种监测手段充分结合在一起,确保监测结果更加准确、可靠。例如,在土石坝工程中,需要监测变形、渗流压力、孔隙水压力以及水位等多个指标,我们就可以利用分布式光纤温度传感器对渗流进行定位和定量监测,利用光纤光栅传感器和测压管对温度、应力和水压力进行监测。

4 结束语

综上所述,分布式光纤温度传感器以其覆盖面广泛、成本低廉、定位准确等优势,被广泛应用到管道工程、土石坝工程以及堤坝工程等多种工程中,但是对于该技术的研究仍然不够全面,需要相关技术人员共同努力,解决该技术尚不能达到的目标。

参 考 文 献

[1] 周勇,赵新铭,孙岳阳,吴刚,姚剑,龚荣山.分布式光纤温度传感渗漏监测技术研究进展[J].新技术新工艺,2014(11):119-122.

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[3] 徐翔宇.基于分布式光纤温度传感技术的渗漏监测方法研究[D].湖北工业大学,2012.

光纤传感技术论文篇7

互联网是物联网的基础,是基于传感网以及互联网的进一步扩展,作为网络终端的各种物品,其信息可以进行交换。主要由以下三个特征来体现物联网的本质:其一,物联网的互联性,互联性就是指物品通过联网可实现互通;其二,物联网的通信与识别性,联网的物品能够进行互相通信以及自动识别;其三,物联网的智能化,智能化是指物联网具有智能控制以及自动化的网络功能。

【关键词】物联网 大容量光纤光栅 传感网络

1 物联网概述

物联网是一种物与物之间进行网络互联的指称,即The Internet of things。最早提出物联网的是研究射频识别的Ashton教授。物联网经由欧盟信息部门定义,是指一个基于标准,具有自组织的,通信协议的,虚拟以及物理的虚拟特性、物理属性、智能接口和身份标识,与信息网络联接并整合,具有全球性质的动态网络。

互联网是物联网的基础,是基于传感网以及互联网的进一步扩展,作为网络终端的各种物品,其信息可以进行交换。主要由以下三个特征来体现物联网的本质:其一,物联网的互联性,互联性就是指物品通过联网可实现互通;其二,物联网的通信与识别性,联网的物品能够进行互相通信以及自动识别;其三,物联网的智能化,智能化是指物联网具有智能控制以及自动化的网络功能。物联网时代,将是一个人与人,物与人,物与物可在任何地点、时间内进行通讯的时代。

1.1 物联网的应用

物联网在现实生活中用途多,涉及领域广,包括有平安家居、医疗护理、智能交通、食品溯源、公共安全、工业测控、政府工作、智能消防、水质监测、环境保护等多方面领域。有些领域方初步应用物联网,而有些领域应用时间已久,较为妥当。

如,涉及安全防护的物联网应用,国际机场防入侵系统中物联网传感系统的应用,传感节点遍布空中、地上以及地表各个方位,便于探测。再如照明控制方面物联网的应用,无线路灯照明节能技术实现了能源节省方面物联网尝试性的成功。在物联网移动方面,消费者可通过手机扫描二维码、条形码的方式,进行商品比较、网上筛选并进行交易。电子商务与智能手机的结合,实现了手机物联。

1.2 物联网的构成

从技术角度来看,物联网可分为网络层、感知层和应用层三个层次。同样也可以将这三个层次表述为信息传输系统、传感系统以及专家系统。信息传输系统是由有线、互联网、网络和网络管理层、无线通信网以及云计算平台构成。信息的获取是通过处理和传递感知层来实现。传感系统,也就是所谓的感知层,传感系统由传感网络以及各类型传感器组成,其中包括有GPS、摄像头、读写设备、RFID标签、湿度传感器、温度传感器等终端。传感系统是进行信息采集、物体识别的系统。专家系统,也称之为应用层,专家系统是用户和物联网的接口,同时根据不同的行业进行不同接口的结合,以实现物联网应用特定化。

2 物联网与光纤传感网络

2.1 物联网与传感网络

基于计算机互联网以及传感网络,物联网因此而建立起来。物联网中,最为基础的技术是传感网络,是实现物品智能互联的关键因素。传感网络是集成有数据处理单元或传感器构成的有线或是无线的随机分布的网络。其中就有光纤网络,探测内容多样,有噪声、温度、光强、应变、运动速度、物质成分等分布于空间的具体参数情况。关于静态物质的传感测量,可通过固定传感网络与电子标签的关联,进行传感。而对于动态物质,可以运用传感网与动态物质进行信息的交流。不论是静态物质还是动态物质,传感时所采用的技术手段相似,其基本原理都是对物体属性的空间分布进行表述。

2.2 物联网与光纤传感网络

从物联网的建设要求看,物联网构建是以传感网络为根本。物联网由光纤传感网络组成,传感器大规模阵列的制作,常因光纤的低成本,使整个结构制作轻便,光纤材质轻巧且柔韧,直径小,因此能够在待测物体的内部和不同弯曲部内进行敷设,光纤传感器,可实现以一对多的测量,这种特点对信息综合下的物联网传感要求很是重要。光纤传感,基于光信号传播速度快的优势,有助于信息在物联网中的处理中加快速度。

3 光纤传感技术相关理论

3.1 光纤光栅的基本理论

光纤具有敏感特征,尤其是对于紫外光。掺杂粒子的光纤芯层,经过紫外光照射,会使轴向上纤芯折射率发生周期改变,光纤光栅因此而形成。传输矩阵理论和耦合模理论是光传输在光纤光栅征产生研究的一般原理。基于理论,对光学参数与光栅结构之间的关系进行分析。耦合理论的基础是在理想波导与电磁场的麦克斯韦方程两者的微扰条件下,模边界条件、慢变振幅近似,使用波导,形成一定的调制光场,然后进行相应推导而得出。

3.2 光纤光栅传感解调技术

基于传感原理,通过对中心波长移动的测量,来实现光纤光栅传感系统的解调。主要的光纤光栅传感解调技术有:匹配光纤光栅滤波法、可调F-P干涉滤波法、非平衡M-Z干涉仪法。相关的实验检测结果得出,其中心波长由应变和温度引起的波长移动量变小,因此精确检测中心波长移动量,是系统测量精度的根本要求。所以光纤光栅传感技术中的解调技术最是关键。

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光纤传感技术论文篇8

关键词:应用现状;发展情况;光纤传感技术

中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1671-2064(2017)04-0026-01

目前光纤传感器在多个应用领域都有着广泛的传播,并且起到了不错的促进作用。为了更好的发挥其功能特点,在今后的研究过程当中,应该增强技术创新与发展,从而促进光纤传感技术性能的发挥。以下就光纤传感技术的发展与应用进行探讨分析。

1 光纤传感技术的发展

1.1 光纤光栅传感器

近几年,光纤光栅传感器成为了国内外的研究热点。一般的光纤光栅传感器都是通过对布喇格波长的漂移量进行测量来实现对被测量的检测。此种传感器可以很方便的构成分布式的结构,其灵敏度相对比较高,能够代替其它结构类型的光纤传感器,可以实现对大型的构件的实时监测,在一根光纤当中可以进行多点测量。由于光纤光栅传感器的多种优势,在很多场合都可以进行测量。至今国内外对其进行研究的范围主要体现在几个方面:

(1)对传感网络技术、封装技术等时机应用的研究;(2)α槊舳雀摺⑿⌒突、低成本的探测技术的研究;(3)对能够同时感测温度变化以及应变的传感器的研究[1]。

1.2 阵列复用传感系统

利用时分复用、空分复用以及波分复用等方式,将单点的光纤传感器进行阵列化,从而实现空间当中多个点分时或者是同时传感。如今应用比较广泛的有基于干涉结构的阵列光纤传感系统和光纤光栅阵列传感系统。这种阵列式的光纤传感系统能够进行长距离大范围的多点传感,同时也是大规模的光纤传感器的主要发展方向。在今后的研究过程当中,阵列式光纤光栅传感器的主要研究方向为综合复用式的应用,比如说将干涉型检查速度快、结构灵敏度高的特点融入到光纤光栅传感系统当中,使其与光纤光栅的插入损耗低、易于光纤耦合以及高波长选择性能的特点相结合,融合之后的结构对于大规模组网传感系统非常适合。但是阵列式的研究方向对传感元件的稳定性、灵敏度等也提出了更高的要求。

1.3 分布式光纤传感系统

这种类型的传感系统是根据沿线光波分布的参量以及被测量随着时间与空间变化的分部信息,进行大范围的并且长距离的连续传感,这代表了目前光纤传感器的一个重要的发展方面。从不同的技术类型的角度来看,可以分为前向传输耦合、布里渊散射、自发拉曼散射以及后向瑞丽散射四种技术类型。不同种技术类型的光纤传感器有着各自的特点,应该根据实际的应用来进行合理的选择。另外分布式的光纤传感系统可以实现空间的测量连续性,这样就很好的避免了使用多个分立的传感元件,从而降低了生产成本。但是为了达到更高的测量精度以及更快更好的测量,还需要进行更深一步的研究,其主要的研究方向包括几个方面:

(1)新型的传感机理的研究;(2)降低测量时间、扩大测量范围;(3)增强系统的空间分辨力以及对信号接收与处理的检测能力;(4)实现单根光纤上多个参数的策略[2]。

1.4 智能化光纤传感技术

其智能化主要表现在实现信号的获取传输与处理的一体化;实现多个功能的智能化;实现计算机技术、光纤通信传感技术的融合。如今在多个应用领域都对智能化的光纤传感系统有着非常广泛的应用,比如说石油测井、声发射检测以及环境感知等。这项技术能够对其周围的环境进行自我的感知、判断、复性等多种功能,除此之外在土木工程、医疗、航空航天等多个领域也应用非常广泛。

2 光纤传感技术的应用

2.1 在工程方面的应用

光纤传感技术在工程方面得到了非常广泛的应用。主要表现在对对布里渊光时域反射、拉曼光时域反射、光纤光栅等多种技术的应用。其中布里渊散射在对长距离的分布式应力进行监测时得到应用,另外在对大中型建筑工程的稳定性进行监测的时候也有所应有;拉曼光时域反射在对建筑物的火灾与渗透监测时得到应用;光纤光栅技术在对隧道以及桥梁的重点部位进行监测是应用较为广泛。

2.2 在电力领域方面的应用

伴随着人们对电力的要求不断提高,传统的传感器已经达不到人们的基本需求。以光纤传感技术为背景,构建的光纤电流传感器能够极大地提高电网的稳定性能,并且顺应了智能化电网的发展趋势,降低了供电损耗,提高了供电的质量,响应了国家节能减耗的号召。但是由于光纤传感器对外界的温度有着很强的敏感性,因此对其耐温性能有待进一步改良。

2.3 其他方面的应用

光纤传感器在石油工业、医用领域、复合材料领域等方面也有广泛的应用。在石油工业方面,基于反射光强的泄露和液位以及传输损耗调制的传感器,部分已经流入市场来用于对石油勘探的光纤加速度传感器以及光纤压力传感器在多个国家已经进行了大量的研究;在医用领域方面,对以激光多普勒频移技术为基础的血液流速进行测量。

3 结语

光纤传感器的优势在光电技术领域逐步的凸显出来,实现了与光纤通信技术、计算机技术等的融合,在多个新型应用领域都有着非常广泛的使用。以光纤传感技术为基础的各种传感器也得到了广泛的发展,所以,为了进一步促进光纤传感技术的发展,就必须不断地进行创新研究,根据实际情况,研究出更好的光纤传感器。

参考文献

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