張旭陽(yáng)

天津易通達(dá)建筑工程有限公司

光纖傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

張旭陽(yáng)

天津易通達(dá)建筑工程有限公司

近年來(lái)，光纖傳感器由于可以在環(huán)境惡劣、磁場(chǎng)干擾強(qiáng)、體積狹小等工作環(huán)境穩(wěn)定測(cè)量溫度、壓力、應(yīng)變、移位等物理量而高速發(fā)展。而把光纖傳感器推廣到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中更是相得益彰，不僅可以在土木工程、環(huán)境監(jiān)測(cè)等工程中監(jiān)測(cè)必要物理參量，還能通過(guò)光纖連接到互聯(lián)網(wǎng)，并經(jīng)過(guò)相關(guān)軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。本文圍繞光纖傳感器在橋梁中的應(yīng)用開(kāi)展了以下研究：(1)本文講述了物聯(lián)網(wǎng)的概念、物聯(lián)網(wǎng)未來(lái)發(fā)展前景。(2)本文研究了光纖傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)并分研究了傳感器在橋梁物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。

物聯(lián)網(wǎng)；光纖傳感器；傳感器技術(shù)

1 緒論

1.1 課題背景

1999年，美國(guó)《技術(shù)評(píng)論》認(rèn)為由傳感網(wǎng)技術(shù)組建的物品信息互聯(lián)技術(shù)在未來(lái)能改變?nèi)藗兩罘绞?。我?guó)的物聯(lián)網(wǎng)事業(yè)起源于溫家寶總理到錫微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心時(shí)提出的“感知中國(guó)”概念。自此，物聯(lián)網(wǎng)在中國(guó)社會(huì)受到了極大關(guān)注，被列入國(guó)家五大新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一并被寫(xiě)入“政府工作報(bào)告”。

1.2 究意義

如果光纖傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中正式商用，它將徹底改變我們的生活。比如，洗衣服時(shí)，洗衣機(jī)會(huì)主動(dòng)“告訴”你水量少了還是多了；物流管理和配送時(shí)，可以清楚的了解到商品的生產(chǎn)制造、裝卸運(yùn)輸?shù)刃畔?。?dāng)然，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展還可以創(chuàng)造出更多的就業(yè)崗位，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)等。

2 光纖傳感器的應(yīng)用

2.1 光纖傳感器的應(yīng)用實(shí)例

2.1.1 土木工程的應(yīng)用

高架橋、水利大壩、油田鉆井等工程建造時(shí)，如果施工過(guò)程中嵌入光纖傳感器或加強(qiáng)性光纖凝結(jié)物，通過(guò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)就可以實(shí)時(shí)調(diào)整施工進(jìn)度、變更為更合理的施工計(jì)劃提高工程的安全指數(shù)；通過(guò)對(duì)工程周邊等環(huán)境在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，可有效了解周邊環(huán)境變化情況，減少工程安全隱患；在飛機(jī)場(chǎng)用干涉型光纖振動(dòng)傳感器系統(tǒng)預(yù)防恐怖襲擊，安裝在圍欄上的傳感器可以辨別靠近圍欄的目標(biāo)，并提前預(yù)警潛在威脅，這要遠(yuǎn)勝于安裝成千個(gè)攝像頭并派專(zhuān)人盯守。

2.1.2 環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

世界地理復(fù)雜各異，環(huán)境檢測(cè)就會(huì)遇到許多難題，但是光纖傳感器精度高抗干擾，可使檢測(cè)方便、準(zhǔn)確的完成檢測(cè)任務(wù)。在煤礦、隧道、山巖中安放嵌入布拉格光纖壓力傳感器的巖柱或在很深的鉆孔或火山中用干涉型光纖傳感器系統(tǒng)進(jìn)行地震測(cè)量。例如在隧道中安裝傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)溫度的環(huán)境變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道火情的判斷并預(yù)先報(bào)警，通過(guò)光纖串接成傳感鏈從而實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)分布式測(cè)量，避免了測(cè)量盲區(qū)，誤報(bào)和漏報(bào)率極低，同時(shí)光纖不易受電磁干擾及雷擊的影響，測(cè)量性能穩(wěn)定可靠，保障了公共財(cái)產(chǎn)安全和人們才出行安全。

3 光纖傳感器在橋梁物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

3.1 光纖物聯(lián)網(wǎng)檢測(cè)工程意義

當(dāng)今運(yùn)輸車(chē)輛超載或施工過(guò)程中的不規(guī)范操作，造成橋梁坍塌或公路中斷的事故頻發(fā)，而以光纖傳感器為基礎(chǔ)組建的橋梁物聯(lián)網(wǎng)則可以監(jiān)測(cè)橋梁的安全及隱患，并提前預(yù)警、事故發(fā)生后迅速出動(dòng)救援并通知后續(xù)車(chē)輛提前繞行。這不僅可以保證人們生命財(cái)產(chǎn)安全，還能減少交通擁堵事件發(fā)生。

3.2 光纖傳感器在橋梁的應(yīng)用

3.2.1 傳感器設(shè)備的選用

現(xiàn)在市場(chǎng)上主流的光纖產(chǎn)品有：光纖光柵應(yīng)變傳感器、埋入式光纖傳感器、高精度表面式光纖應(yīng)變傳感器主要可用于橋面變形監(jiān)測(cè)；光纖測(cè)力環(huán)、光纖光柵錨索測(cè)力環(huán)主要可用于索力變化監(jiān)測(cè)；CCD位移光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要可用于橋梁震動(dòng)監(jiān)測(cè)；表面式光纖溫度傳感器、埋入式光纖溫度傳感器主要可用于溫度監(jiān)測(cè)；風(fēng)速、風(fēng)向監(jiān)測(cè)器及溫度監(jiān)測(cè)器可用于氣象監(jiān)測(cè)。橋梁中安裝的傳感器及所有設(shè)備都應(yīng)采用可以從市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)到的主流優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。

3.2.2 智能拉索的安裝

智能拉索工藝與常規(guī)拉索的制造工藝的區(qū)別在于分絲板預(yù)先打孔、預(yù)留通道。其中在分絲板外圍預(yù)先打孔，方便拉索周?chē)匿摴苣茼樌绣^杯后端穿出。這樣可以在平行鋼絲上完成光纖光柵應(yīng)力傳感器安裝。在斜拉索內(nèi)部安裝光纖光柵傳感器可以避免天氣與環(huán)境因素的腐蝕，還可以更準(zhǔn)確測(cè)量拉索的拉力變化。

3.3 橋梁物聯(lián)網(wǎng)組建

組建橋梁物聯(lián)網(wǎng)需要硬件與軟件兩部分，硬件的安裝已通過(guò)前文進(jìn)行敘述，軟件部分可以可以通過(guò)基于WINDOWS平臺(tái)開(kāi)發(fā)，并通過(guò)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行與INTERNET的聯(lián)網(wǎng)工作。為了保證橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，其中主干網(wǎng)絡(luò)采用1000Mbps或以上的高速光纖網(wǎng)而且必須是雙環(huán)型自愈結(jié)構(gòu)，以防止發(fā)生事故后以致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

采用先進(jìn)光纖傳感技術(shù)在橋梁運(yùn)行狀態(tài)中采集壓力、溫度、移位等參量，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理分析且光纖傳感器為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁安全提供了基礎(chǔ)，我們可以通過(guò)感知各類(lèi)的物理量變化，將信號(hào)直接經(jīng)過(guò)光纖直接傳送到檢測(cè)中心。遠(yuǎn)程客戶(hù)端就可以通過(guò)監(jiān)測(cè)中心監(jiān)測(cè)到的技術(shù)參量對(duì)橋梁運(yùn)行狀況有一個(gè)遠(yuǎn)程的監(jiān)控與管理。

光纖傳感器作為此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的基礎(chǔ)部分，可以測(cè)量索力、溫度、主塔位移等物理量的變化。采集到的信號(hào)可以經(jīng)光纜傳輸?shù)綐蝾^的監(jiān)控中心。監(jiān)控中心由分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸與控制系統(tǒng)組成，其中遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸與控制系統(tǒng)包括本地計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和遠(yuǎn)程管理監(jiān)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)兩部分組成。分布式采集系統(tǒng)對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，同時(shí)將采集數(shù)據(jù)通過(guò)光纖傳送給本地計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。本地計(jì)算機(jī)系統(tǒng)再將傳輸過(guò)來(lái)的采集信息保存在檢測(cè)中心中，在保存數(shù)據(jù)的時(shí)候，將數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送給遠(yuǎn)程管理和監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程系統(tǒng)計(jì)算機(jī)對(duì)橋梁的具體監(jiān)測(cè)與管理。

遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理系統(tǒng)主要對(duì)網(wǎng)絡(luò)模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、處理、人工分析等工作，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中檢測(cè)系統(tǒng)硬件與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的要求。

結(jié)論

本文主要研究了光纖傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用技術(shù)，這里重點(diǎn)討論了光纖傳感器在橋梁物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用及其具體分析?，F(xiàn)武漢、天津等地已有采用光纖傳感技術(shù)為主的橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所以我們只要大膽的實(shí)踐，就可以創(chuàng)造新的價(jià)值，更好的迎接物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)。

[1]閆俊芳.物聯(lián)網(wǎng)以及光纖傳感技術(shù)在其中的應(yīng)用[J].《光電技術(shù)科學(xué)》，1.2012.

[2]盧一鑫，楊璐娜.光纖傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)[J].陜西：機(jī)械與電子，2011年.

[3]陳颶.面向物聯(lián)網(wǎng)和光纖傳感技術(shù)的橋梁安全檢測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用[D]：[博士學(xué)位論文].武漢：武漢理工大學(xué)，2011.