1、第10章 光纖傳感技術(shù) 光纖傳感技術(shù)是伴隨光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種以光為載體、光纖為介質(zhì)、感知和傳輸外界信號(hào)（被測(cè)量）的新型傳感技術(shù)。光纖傳感器始于1977年，經(jīng)過(guò)30多年的研究，光纖傳感器取得了積極的進(jìn)展，目前正處在研究和應(yīng)用并存的階段。它對(duì)軍事、航天航空技術(shù)和生命科學(xué)等的發(fā)展起著重要的作用。隨著新興學(xué)科的交叉滲透，它將會(huì)出現(xiàn)更廣闊的應(yīng)用前景。 本章在簡(jiǎn)要介紹光纖傳感器原理、組成及分類的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)討論光纖傳感的光調(diào)制方式及相應(yīng)的光纖傳感器，最后對(duì)分布式光纖傳感器作簡(jiǎn)要介紹。10.8 光纖傳感技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用 現(xiàn)今，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)發(fā)展成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)，而傳感器是物聯(lián)

2、網(wǎng)的核心，光纖傳感器具有一般傳感器無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，因此，光纖傳感技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。本節(jié)主要對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的界定、構(gòu)成以及光纖傳感技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用加以介紹。 10.8.1 10.8.1 物聯(lián)網(wǎng)的基本原理物聯(lián)網(wǎng)的基本原理 物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上利用RFID(無(wú)線射頻識(shí)別)技術(shù)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)以及激光掃描器等信息傳感設(shè)備將物品與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)信息交換和通信，從而實(shí)現(xiàn)智能化定位、智能化識(shí)別、跟蹤、監(jiān)控和管理的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的概念是1999年提出的，其英文名稱為“The Internet of Things，即“物物相連的互網(wǎng)絡(luò)”。有兩層含義:第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和

3、基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò);第二，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通訊。 物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)包括3個(gè)層面:感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。 感知層主要是采集物品在物理世界中發(fā)生的各種數(shù)據(jù)信息，主要由傳感器(如溫度傳感器、聲音傳感器、振動(dòng)傳感器、壓力傳感器)、終端、RFID標(biāo)簽和讀寫器、二維碼標(biāo)簽和讀寫器、傳感器網(wǎng)絡(luò)等各種類型的采集和控制模塊組成，與人體結(jié)構(gòu)中皮膚和五官的作用相似。 網(wǎng)絡(luò)層分為接人層和承載網(wǎng)絡(luò)兩部分，該層能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍信息溝通，通過(guò)現(xiàn)在已經(jīng)存在的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)等通信系統(tǒng)，將感知層得到的數(shù)據(jù)信息傳到地球各個(gè)地方，實(shí)現(xiàn)地球范圍內(nèi)的遠(yuǎn)距離通信。

4、是物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)中樞和大腦信息傳遞和處理中樞。 應(yīng)用層由各種應(yīng)用服務(wù)器組成，該層的主要任務(wù)是在感知層和網(wǎng)絡(luò)層的工作完成之后匯總獲得的所有關(guān)于物品的信息，然后對(duì)信息進(jìn)行再加工，進(jìn)一步提高信息的綜合利用度。該層是物聯(lián)網(wǎng)與各種行業(yè)的橋梁，可以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)中，滿足行業(yè)需求，實(shí)現(xiàn)行業(yè)的智能化。 物聯(lián)網(wǎng)形成的步驟: 對(duì)物體屬性進(jìn)行標(biāo)識(shí)，屬性包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的屬性，靜態(tài)屬性可以直接存儲(chǔ)在標(biāo)簽中，動(dòng)態(tài)屬性需要先由傳感器實(shí)時(shí)探測(cè)； 需要識(shí)別設(shè)備完成對(duì)物體屬性的讀取，并將信息轉(zhuǎn)換為適合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式； 將物體的信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)叫畔⑻幚碇行?處理中心可能是分布式的，如家里的電腦或者手機(jī)，也可能是集

5、中式的，如互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心IDC)，由處理中心完成物體通信的相關(guān)計(jì)算與處理分析。 10.8.2“ 10.8.2“三纖合一三纖合一”的光纖物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的光纖物聯(lián)網(wǎng)絡(luò) 光纖物聯(lián)網(wǎng)是“光纖傳感”、“光纖傳輸”和“光纖互聯(lián)網(wǎng)”的三纖合一的系統(tǒng)。對(duì)于重大的固定設(shè)施為終端用戶，如電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、大壩、供水系統(tǒng)、長(zhǎng)距離油氣管線等的監(jiān)測(cè)；地震監(jiān)測(cè)；煤礦中的瓦斯檢測(cè)、坑體結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)；大型地下設(shè)施的溫度、火災(zāi)報(bào)警;用于軍事或政府機(jī)構(gòu)等敏感地區(qū)和設(shè)施的人侵定位、安防預(yù)警;軍事中作為反潛聲納核心部件的水聽(tīng)器等等，用植人被測(cè)物體的各種光纖傳感器得到所需被測(cè)參數(shù)，并以光纖傳輸?shù)綌?shù)據(jù)控制中心，并接人互聯(lián)網(wǎng)

6、，形成光纖物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，如圖10.61所示。 光纖物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)點(diǎn)如下: 光纖傳感器與傳統(tǒng)的非電量電測(cè)法的電傳感器相比，具有顯著的優(yōu)點(diǎn):因?yàn)樗菍?dǎo)光元件，所以完全不受電磁干擾，不受雷擊，不受核輻射影響，可在易燃、易爆和電磁干擾等環(huán)境中工作。 光纖傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比，具有更高的檢測(cè)靈敏度，例如，典型的光纖光柵布拉格波長(zhǎng)隨溫度、壓力和應(yīng)變變化的靈敏度分別為10pm/k,3pm/Mpa和1.2pm/；BOTDR(AQ8603)的應(yīng)變測(cè)量精度則可達(dá)0.003%(30)。 特別是相位調(diào)制型光纖傳感器具有極高的檢測(cè)靈敏度，其可得到最小相位變化為10-7rad的測(cè)量精度。如采用保偏光纖，信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)可測(cè)出1ra

7、d的相位移，則對(duì)每米光纖的檢測(cè)靈敏度:對(duì)溫度為10-8，對(duì)壓力為10-7Pa，對(duì)應(yīng)變?yōu)?0-7，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)1010。對(duì)于某些波長(zhǎng)檢測(cè)型的光纖傳感器，當(dāng)波長(zhǎng)分辨率達(dá)到微米量級(jí)后，還可通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理將微米級(jí)的光波長(zhǎng)細(xì)分到任意多的分?jǐn)?shù)，進(jìn)一步大大提高檢測(cè)靈敏度。 鑒于光纖“傳”“感”合一的特性，而形成的分布式傳感系統(tǒng)，可在長(zhǎng)距離的線路上進(jìn)行連續(xù)的傳感檢測(cè)和被測(cè)信號(hào)的傳輸。這是任何其他無(wú)線檢測(cè)手段所無(wú)法企及的。圖圖10.61 10.61 光纖物聯(lián)網(wǎng)示意圖光纖物聯(lián)網(wǎng)示意圖圖圖10.62 10 kV10.62 10 kV開(kāi)關(guān)站集控平臺(tái)開(kāi)關(guān)站集控平臺(tái) 光纖物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓樸光纖物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓樸 與無(wú)線檢測(cè)方

8、式相比，光纖物聯(lián)網(wǎng)不受大氣氣候影響，不受地理環(huán)境干擾。在軍事應(yīng)用中有良好的保密性。 光纖物聯(lián)網(wǎng)可移植業(yè)已成熟的光纖通信的技術(shù)成果，特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。例如多傳感器和傳輸光纖的連接技術(shù)；多傳感器的解調(diào)技術(shù)，如時(shí)分復(fù)用、波分復(fù)用、頻分復(fù)用、空分復(fù)用等技術(shù)。 光纖通信技術(shù)中非常成熟的光學(xué)元器件均可選用，如光源:半導(dǎo)體激光二極管、LED、DFB激光器、光纖光柵激光器等，光電探測(cè)器: PIN管、APD管等，光纖無(wú)源器件:光纖耦合器、光纖隔離器和環(huán)行器、光開(kāi)關(guān)、波分復(fù)用器等。10.8.3 10.8.3 基于光纖物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能基于光纖物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能 電網(wǎng)輸配電設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電網(wǎng)輸配電設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 基于光纖物聯(lián)

9、網(wǎng)技術(shù)的智能電網(wǎng)輸配電設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)綜合應(yīng)用光纖傳感技術(shù)、光纖復(fù)合電纜技術(shù)、電纜載流量動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)軟件和光纖寬帶通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了光纖與電纜一體化制造、在電力輸配電線路上對(duì)輸配電網(wǎng)設(shè)備、設(shè)施的狀態(tài)在線傳感探測(cè)及信息通信傳輸?shù)囊惑w化。使傳統(tǒng)的電力電纜具有了智能化，采用光纖物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸配電網(wǎng)的智能化監(jiān)測(cè)和高速寬帶通信。 圖10.62是l0 kV開(kāi)關(guān)站集控平臺(tái)光纖物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。其結(jié)構(gòu)可分感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。 感知層包括敷設(shè)在變電站設(shè)施中的高溫敏探測(cè)光纜和嵌人在l0 kV光纖中壓復(fù)合電纜中的溫度探測(cè)光纜、分布式光纖溫度探測(cè)器(DTS)。該部分主要功能是采集變電站內(nèi)設(shè)備溫度、環(huán)境溫度、電纜內(nèi)部

10、溫度等信息。探測(cè)對(duì)象包括干式變壓器、接地電阻、絕緣母線、主變室、電纜溝、電纜豎井、開(kāi)關(guān)室、電容器室等)、l 0 kV光纖復(fù)合電纜(如接頭、長(zhǎng)度、熱點(diǎn)、斷點(diǎn)等)。 網(wǎng)絡(luò)層主要為嵌人在l0 kV中壓復(fù)合電纜中的通信光纜、安裝在變電站的光纖通信設(shè)備器件(如光纖通信路由交換機(jī)、無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)EPON設(shè)備器件等)。該部分主要功能是采用較以往站間載波通信(PLC)更高速寬帶可靠的通信方式，傳遞感測(cè)光纖探測(cè)到的信息以及變電站內(nèi)部電網(wǎng)“遙測(cè)、遙感、遙信、遙視”的信息通信，從電網(wǎng)站間的載波通信向高速寬帶可靠的光纖通信傳輸升級(jí)。為智能電網(wǎng)的建設(shè)創(chuàng)建了信息高速公路。 應(yīng)用層是l0 kV開(kāi)關(guān)站集控平臺(tái)光纖物聯(lián)網(wǎng)中裝有電纜

11、載流量動(dòng)態(tài)分析軟件、溫度異常定位預(yù)報(bào)警判斷軟件、基站數(shù)據(jù)上傳處理軟件等的信息集控平臺(tái)和用戶的接日。實(shí)現(xiàn)自我感知、判別和決策，通過(guò)電纜載流量動(dòng)態(tài)分析等軟件，分析處理來(lái)自通信光纜傳遞的測(cè)溫光纜感知的溫度信息、實(shí)時(shí)計(jì)算導(dǎo)體溫度和載流量，為輸電線路和電纜附件的故障監(jiān)測(cè)和負(fù)荷管理提供全面而有效的解決方案，提高電網(wǎng)資產(chǎn)的利用率，發(fā)現(xiàn)潛在故障，實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)。 該信息集控平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)外設(shè)備(設(shè)施)的溫度監(jiān)測(cè)、消防預(yù)報(bào)警、電纜載流量熱效應(yīng)監(jiān)測(cè)、電纜故障診斷和站間光纖通信功能(如圖10.63所示)。圖10. 63 10 kV開(kāi)關(guān)站集控平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)圖 溫度監(jiān)測(cè)功能 該功能主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)站內(nèi)的變壓器室、電纜溝

12、、開(kāi)關(guān)柜，站外的電纜排管無(wú)效孔、光纖中壓復(fù)合電纜等設(shè)備(設(shè)施)進(jìn)行高精度(1)、高分辨率(0.1)實(shí)時(shí)在線溫度監(jiān)測(cè)；且分區(qū)域、人性化、智能化的顯示在信息集控平臺(tái)上。電網(wǎng)監(jiān)測(cè)中心通過(guò)信息集控平臺(tái)，可查看整體及各區(qū)域的環(huán)境溫度信息:如二次控制纜電纜溝、l0 kV高壓開(kāi)關(guān)柜、一次供電電纜溝(l0 kV),0.2 kV低壓開(kāi)關(guān)柜、一次供電電纜溝(0.2 kV),1號(hào)變壓器室和2號(hào)變壓器室的溫度信息狀態(tài)。 溫度監(jiān)測(cè)功能如下: 存儲(chǔ):正常溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選式滾動(dòng)存儲(chǔ)，以減小對(duì)存儲(chǔ)空間的占用；異常數(shù)據(jù)進(jìn)行完整存儲(chǔ)，保證數(shù)據(jù)的完全記錄。 判別模式:對(duì)于異常溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行3種判別，分別為定溫、差溫以及溫升。 輸出:

13、對(duì)異常溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行軟輸出、短信輸出和數(shù)據(jù)上傳；對(duì)于正常溫度可根據(jù)用戶需求進(jìn)行短信輸出。 查詢:分為按時(shí)間查找、按分區(qū)查找以及按時(shí)間和分區(qū)查找3種查詢方式，查找所需溫度數(shù)據(jù)信息。 消防預(yù)報(bào)警功能 該功能主要是當(dāng)發(fā)現(xiàn)所監(jiān)測(cè)的變電站內(nèi)變壓器室、電纜溝、開(kāi)關(guān)柜等處溫度發(fā)生異常(環(huán)境溫度異常高或突發(fā)升高)時(shí)，按所設(shè)置的預(yù)警闌值發(fā)出溫度異常地定位信息預(yù)警。 當(dāng)所預(yù)警地區(qū)域溫度進(jìn)一步異常發(fā)展達(dá)到火災(zāi)報(bào)警闌值時(shí)，發(fā)出火災(zāi)位置報(bào)警信息，同時(shí)聯(lián)動(dòng)站內(nèi)的火災(zāi)聯(lián)動(dòng)控制器進(jìn)行火災(zāi)消防處置。當(dāng)報(bào)警狀態(tài)發(fā)生時(shí)，信息集控平臺(tái)將觸發(fā)站內(nèi)消防聯(lián)動(dòng)報(bào)警控制器，同時(shí)進(jìn)行短信輸出與數(shù)據(jù)上傳;當(dāng)預(yù)警狀態(tài)發(fā)生時(shí)，進(jìn)行除消防輸出外的其他輸出

14、。 由于光纖溫度探測(cè)器能夠進(jìn)行同一區(qū)域的溫度分級(jí)多次預(yù)報(bào)警，從而有效避免了原感溫型火災(zāi)探測(cè)器的誤報(bào)狀況。提高了電網(wǎng)的抗災(zāi)能力。為消除氣象和設(shè)備正常啟動(dòng)帶來(lái)的誤報(bào)，需要確認(rèn)定溫60及差溫溫升100C/min的報(bào)警闌值。 載流量監(jiān)測(cè)功能 該功能主要是利用嵌人在l0 kV中壓光纖復(fù)合電纜中的測(cè)溫光纜和普通測(cè)溫光纜，對(duì)中壓光纖復(fù)合電纜、進(jìn)站段復(fù)合電纜、站內(nèi)l0 kV一次供電電纜和0.4kV一次供電電纜進(jìn)行分別探測(cè)?；诜植际焦饫w測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)中壓光纖復(fù)合電纜纜芯溫度和l0 kV。0.4kV一次供電電纜外護(hù)套溫度的測(cè)量，通過(guò)電纜載流量分析軟件計(jì)算出電纜導(dǎo)體的運(yùn)行溫度分布和電纜載流量的相關(guān)信息；通過(guò)分析計(jì)算，

15、在確保電纜安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)提高線路最大額定載流量、電纜線路隱患預(yù)警、故障分析和定位等功能。 基于對(duì)電纜溫度的測(cè)量以及電纜電流值，對(duì)電纜載流進(jìn)行如下評(píng)估:1)給定過(guò)載電流和過(guò)載時(shí)間，計(jì)算出電纜導(dǎo)體的過(guò)載溫度；2)給定過(guò)載電流和最大允許溫度，計(jì)算出允許的過(guò)載時(shí)間；3)給定過(guò)載時(shí)間和最大允許溫度，計(jì)算出最大允許的過(guò)載電流；4)根據(jù)日負(fù)荷曲線計(jì)算出當(dāng)天的動(dòng)態(tài)載流量。 診斷功能 該功能主要是對(duì)變電站內(nèi)運(yùn)行中的變壓器和開(kāi)關(guān)柜設(shè)備信息、電纜信息等進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)及故障診斷的綜合顯示；變壓器周圍環(huán)境信息由分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)顯示;變壓器設(shè)備信息及診斷綜合顯示，包括周圍環(huán)境信息、變壓器運(yùn)行狀況信息和分析

16、評(píng)估信息；電纜信息及診斷綜合顯示分區(qū)敷設(shè)信息、電流信息、站內(nèi)及站外電纜溫度信息、載流測(cè)評(píng)信息和電纜無(wú)效空溫度信息。 通信功能 該功能主要是利用l0 kV中壓光纖復(fù)合電纜中的通信光纜進(jìn)行10-35 kV站間通信，傳輸溫度、電流等數(shù)據(jù)信息；另外，通過(guò)集成短信模塊，個(gè)性化設(shè)定短信播報(bào)內(nèi)容，包括各設(shè)備運(yùn)行狀況是否良好、目前存在的隱患以及火警的預(yù)警、報(bào)警，并以短信的方式將當(dāng)前狀態(tài)(斷纖、預(yù)警、報(bào)警、狀態(tài)、日常)發(fā)給相關(guān)責(zé)任人。10.8.4 10.8.4 基于光纖物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能周界人侵防范系統(tǒng)基于光纖物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能周界人侵防范系統(tǒng) 周界入侵防范系統(tǒng)屬于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域中發(fā)展非常成熟的一部分，根據(jù)周界系統(tǒng)

17、中傳感器的類型的不同，各種系統(tǒng)的技術(shù)解決方案也大相徑庭；然而，基于光纖傳感器的周界系統(tǒng)，是以光纖傳感技術(shù)為基礎(chǔ)的，隨著光纖傳感技術(shù)的成熟而發(fā)展起來(lái)的，目前正成為周界入侵防范技術(shù)領(lǐng)域中的一大亮點(diǎn)與熱點(diǎn)。它的顯著特點(diǎn)是采用光纖作為傳感器，來(lái)感受外界侵?jǐn)_信息。與傳統(tǒng)的振動(dòng)電纜傳感器相比，光纖傳感器在周界人侵防范應(yīng)用中具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，主要有:無(wú)信號(hào)輻射、防靜電和雷擊、防電磁和射頻干擾、防雷達(dá)輻射、耐腐蝕、適于多種惡劣工作環(huán)境、工作壽命長(zhǎng)達(dá)20年以上等。這些特點(diǎn)使得光纖周界人侵防范系統(tǒng)得以進(jìn)人一些以前不曾進(jìn)人的領(lǐng)域，如機(jī)場(chǎng)、電站和軍事基地等重要場(chǎng)所的大范圍、長(zhǎng)距離水中、地下布防；從而實(shí)現(xiàn)以前難以實(shí)現(xiàn)

18、的技術(shù)目標(biāo)，如卓越的抗干擾性能、對(duì)象模式識(shí)別功能，從而大幅度地提高現(xiàn)有周界系統(tǒng)整體的防人侵能力。圖圖10.64 10.64 光纖周界入侵防范系統(tǒng)的敷設(shè)方式光纖周界入侵防范系統(tǒng)的敷設(shè)方式 圖10. 62是周界振動(dòng)光纖入侵防范系統(tǒng)解決方案。以振動(dòng)傳感光纖為傳感器，將圍欄上的振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳給數(shù)字信號(hào)處理器，處理器據(jù)此來(lái)區(qū)分是剪斷、抬起還是攀爬動(dòng)作。 系統(tǒng)采用現(xiàn)代多媒體及數(shù)字化監(jiān)控技術(shù)，形成數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的安全防范系統(tǒng)，并能通過(guò)統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和管理軟件將中央監(jiān)控室設(shè)備與各個(gè)子系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心對(duì)全系統(tǒng)信息集成的自動(dòng)化管理。 系統(tǒng)通過(guò)一條感應(yīng)光纜構(gòu)成分布式的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。即采用單

19、根光纖(光纜)實(shí)現(xiàn)了整個(gè)周界的人侵防范工作，為系統(tǒng)的維護(hù)帶來(lái)了極大的便利性。與其他采用多個(gè)分立傳感頭的人侵防范方案相比，等于用一個(gè)部件代替了數(shù)百個(gè)部件，因此平均故障時(shí)間大大降低。 同時(shí)，光纖的故障查找和維護(hù)完全基于成熟的通信技術(shù)協(xié)議。比如一旦出現(xiàn)斷點(diǎn)，可以采用()TIER光時(shí)域反射器和熔接機(jī)結(jié)合的手段，迅速找到故障點(diǎn)，恢復(fù)后幾乎沒(méi)有影響。同時(shí)，光纖不受天氣、季候、溫度影響，耐腐蝕、抗電磁干擾，較之其他基于金屬或電傳感器的安防設(shè)備，極大降低了設(shè)備的維護(hù)率。 光纖周界人侵防范系統(tǒng)所采用的技術(shù)主要取決于傳感器的種類，每種傳感器根據(jù)其探測(cè)的原理、成本、誤報(bào)率的不同特性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要選擇不同的傳感器類

20、型，來(lái)搭建不同的周界安防系統(tǒng)。光纖周界系統(tǒng)基本工作原理，如圖10.65所示。 光纖周界系統(tǒng)是基于光的干涉原理和裝置，來(lái)實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)信息獲取的。圖10.65中，傳感光纖和反射鏡、全光纖干涉模塊共同構(gòu)成光的干涉裝置。光從全光纖干涉模塊的輸人端日進(jìn)人，經(jīng)光纖干涉模塊處理后的光輸人到傳感光纜上，在傳感光纜的末端經(jīng)反射鏡反射后，重新進(jìn)人傳感光纜，最后回到全光纖干涉模塊。該干涉模塊是由光無(wú)源器件構(gòu)成。經(jīng)不同光路到達(dá)干涉模塊輸出端日的光在此匯合，發(fā)生干涉，輸出端日的光強(qiáng)隨著相互干涉的光之間相位差的變化而變化。當(dāng)有外界擾動(dòng)作用在傳感纜上時(shí)，就會(huì)引起干涉光波之間相位差的變化。對(duì)應(yīng)不同的擾動(dòng)特征，會(huì)產(chǎn)生不同的相位變化

21、，因此，通過(guò)對(duì)干涉系統(tǒng)輸出光強(qiáng)變化特征的分析，可以判斷相應(yīng)的擾動(dòng)特征；辨別該行為的性質(zhì)，決定是否是需要發(fā)出報(bào)警信號(hào)。圖圖10.65 10.65 光纖周界系統(tǒng)工作原理光纖周界系統(tǒng)工作原理10.8.5基于光纖物聯(lián)網(wǎng)的橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng) 在公路、橋梁、隧道和建筑等重大工程建設(shè)及使用過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)隧道局部坍塌、滲漏以及火災(zāi)，橋梁局部裂縫、崩塌等現(xiàn)象，不僅嚴(yán)重威脅著人民的生命及財(cái)產(chǎn)安全，還影響了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速穩(wěn)定發(fā)展。將光纖傳感器嵌于這些建筑物或者公共設(shè)施內(nèi)部，可以感受橋梁的結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性及交通荷載等狀況，同時(shí)利用張力傳感器感受隧道容易發(fā)生塌方的局部的變形情況，這些信息可以與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，形成

22、一個(gè)“光纖物聯(lián)網(wǎng)”，實(shí)現(xiàn)對(duì)這些基礎(chǔ)設(shè)施的長(zhǎng)期穩(wěn)定的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，減少事故的發(fā)生。 橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)以橋梁結(jié)構(gòu)為平臺(tái)，應(yīng)用現(xiàn)代傳感技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，優(yōu)化組合結(jié)構(gòu)監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、交通監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)控、綜合報(bào)警、信息網(wǎng)絡(luò)分析處理各功能子系統(tǒng)為一體的綜合監(jiān)控系統(tǒng)。其系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖10.66所示。圖圖10. 66 10. 66 橋梁健康監(jiān)控總體架構(gòu)示意圖橋梁健康監(jiān)控總體架構(gòu)示意圖 橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)是通過(guò)全站儀技術(shù)、光纖光柵傳感及解調(diào)技術(shù)、中間件技術(shù)、可視化技術(shù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的拱肋變形、拱座水平相對(duì)位移、拱座不均勻沉降、主梁變形、吊桿系桿索力、拱肋主梁應(yīng)變及環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。同時(shí)與定

23、期檢測(cè)系統(tǒng)、橋梁設(shè)計(jì)與荷載試驗(yàn)資料庫(kù)協(xié)同作用，將定期巡檢相關(guān)信息以及橋梁設(shè)計(jì)與荷載試驗(yàn)資料錄人該系統(tǒng)，形成綜合電子化管理，為橋梁管理、養(yǎng)護(hù)提供決策依據(jù)。 應(yīng)用于橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)中的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要有:光纖光柵傳感與解調(diào)技術(shù)、通信接日與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、中間件技術(shù)、Web Service與數(shù)據(jù)可視化分析技術(shù)。 光纖光柵傳感與解調(diào)技術(shù) 橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)中部署了大量的多種類型傳感器，每個(gè)傳感器都是一個(gè)信息源，不同類別的傳感器所捕獲的信息內(nèi)容和信息格式不同。傳感器獲得的數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)性，按一定頻率周期性采集環(huán)境信息，不斷更新數(shù)據(jù)。 光纖光柵傳感通過(guò)檢測(cè)每段光柵反射回來(lái)的光信號(hào)波長(zhǎng)值變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)參數(shù)的測(cè)量，其中，一個(gè)波峰代表一個(gè)光纖光柵傳感器，可以在一條光纖上實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式測(cè)量。光纖光柵的反射波長(zhǎng)受外界應(yīng)力和溫度變化而變化，同時(shí)這種變化具有非常好的線性。光纖界應(yīng)力和溫度變化而變化，同時(shí)這種變化具有非常好的線性。光纖光柵的反射波長(zhǎng)對(duì)溫度和應(yīng)變非常敏感，對(duì)溫度為10.3 pm/，對(duì)應(yīng)變?yōu)?.2 pm/。在橋梁健康監(jiān)控