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1、光纤传感 物联网技术及应用前景,目录,一、IT 技术的最新发展 二、工业是物联网的重要领域 三、光纤传感的优势及创新 四、光纤传感物联网及应用前景 五、结束语,一、IT 技术的最新发展,1、IT 技术发展的十五年周期定律,IT 技术每 15 年有一次重大变革与创新,主要特点： (1)以PC为标志的个人计算机广泛应用的时代: 上世纪80年代初至90年代中为鼎盛时期 (2)以WWW互连网为标志的网络普及的时代: 上世纪90年代中至本世纪初为广泛应用时期 (3)以物联网为标志IT技术发展的新时代 The Internet of things : 2010年-物联网元年, 世界信息产业的第三次浪潮,2
2、、物联网的概念,通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互连网连接起来,进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络 物联网就是“物物相连的互联网”,两大特点: 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（The Internet of things）的定义 ：,物联网结构与关键技术,感知,传输,智能处理,3、物联网的发展背景与智慧地球,物联网的概念是在1999年提出的。过去在中国，物联网被称之为传感
3、网 1999年，在美国召开的移动计算和网络国际会议提出了，“传感网是下一个世纪人类面临的又一个发展机遇” 2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布了ITU互联网报告2005：物联网，正式提出了“物联网”的概念 2009年月日，首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”这一概念，建议新政府投资新一代的智慧型基础设施,物联网的发展背景：,智慧地球的提出：,智慧地球的提出 在所有基础建设中，植入“智慧”的理念，形成智慧的地球, 不仅能在短期内有力的刺激经济、促进就业，而且能在短时间内打造一个成熟的智慧基础设施平台,IT 技术的发展 产业下一阶段的任务
4、是把新一代技术充分运用在各行各业之中，具体地说，就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且被普遍连接，形成物联网,3、物联网的发展背景与智慧地球,预测发展的四个阶段 2010年之前RFID被广泛应用于物流、零售和制药领域，20102015年物体互联，20152020年物体进入半智能化，2020年之后物体进入全智能化,物联网的关键环节 物联网产业链可以细分为标识、感知、处理和信息传送四个环节, 每个环节的关键技术分别为RFID、传感器、智能芯片和电信运营商的无线传输网络,4、物联网的关键环节和发展阶段,物联网的用途 在这个整合的网络当中
5、，存在能力超级强大的中心计算机群，能够对整合网络内的人员、机器、设备和基础设施实施实时的管理和控制，在此基础上，人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然间的关系,物联网的作用 物联网把新一代IT技术充分运用在各行各业之中，具体地说，就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，然后将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合,4、物联网的作用与用途,物联网开展的三个步骤 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
6、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，如中国移动的IDC），由处理中心完成物体通信的相关计算,4、物联网的开展步骤,5. 国内外发展概况,美国：将“智慧地球”确立为其科技创新的两大主攻方向之一，大力投资新一代的智慧型基础设施项目的建设，目前已启动100多亿美元的智能电网研究、建设 欧洲：2009年5月，欧洲主要国家的代表在布鲁塞尔举行物联网的专题讨论会,物联网的发展被纳入新的14点行动计划 韩国：通过了物联网基础设施构建基本规划，提出到20
7、12年构建世界上最先进的物联网基础设施 日本：提出了I-Japan战略（物联网国家战略），在2010年将日本建成一个可连接的4a（any time，any where，anything ，anyone）网络。,5. 国内外发展概况,2009年8月，温家宝总理提出在无锡建中国的传感网中心（“感知中国”） 2009年11月，温总理让科技引领中国可持续发展 着力突破传感网、物联网关键技术 2010年3月，政府工作报告 大力培育战略性新兴产业，加快物联网的研发应用 中国工程院成立了物联网在节能环保、电力、交通等领域应用研究的多个课题组,5. 国内外发展概况,上海：将物联网产业发展作为下一步发展的重点，
8、投8亿元在嘉定建立上海物联网中心，以形成规模应用示范 北京：由中关村40多家企业共同发起组建的中关村物联网产业联盟，将推动建设1012项标志性示范应用工程，培育行业龙头企业 无锡：在中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心建立“感知中国”中心，江苏省科技厅正积极推进“感知中国”中心示范区科技创新平台建设 广东：成立RFID标准化技术委员会，加紧RFID标准攻关，力争使广东版RFID标准成为国家标准，抢占未来物联网产业发展的高地。,感知工业 感知安保 感知交通 感知环保 感知园区 感知医疗 感知电力 感知物流 感知农业,无锡市推出九大行业应用示范工程,6. 现存在的主要问题,物联网：基础设施落后
9、 IT技术：整体水平差距很大 传感器：技术和产业化方面都不能满足需求 核心技术：缺乏具有自主知识产权的核心技术,二、工业是物联网的重要领域,工业是物联网应用的重要领域。具有环境感知能力的各类终端、基于泛在技术的计算模式、移动通信等不断融入到工业生产的各个环节，可大幅提高制造效率，改善产品质量，降低产品成本和资源消耗，将传统工业提升到智能工业的新阶段,1、物联网的工业应用,制造业供应链管理: 物联网应用于企业原材料采购、库存、销售等领域，通过完善和优化供应链管理体系，提高了供应链效率，降低了成本。空中客车（Airbus）通过在供应链体系中应用传感网络技术，构建了全球制造业中规模最大、效率最高的供
10、应链体系,2、物联网的供应链应用,生产过程工艺优化: 物联网技术的应用提高了生产线过程检测、实时参数采集、生产设备监控、材料消耗监测的能力和水平。生产过程的智能监控、智能控制、智能诊断、智能决策、智能维护水平不断提高。钢铁企业应用各种传感器和通信网络，在生产过程中实现对加工产品的宽度、厚度、温度的实时监控，从而提高了产品质量，优化了生产流程,3、物联网的生产过程应用,产品设备监控管理: 各种传感技术与制造技术融合，实现了对产品设备操作使用记录、设备故障诊断的远程监控。GE Oil&Gas集团在全球建立了13个面向不同产品的i-Center，通过传感器和网络对设备进行在线监测和实时监控，并提供设
11、备维护和故障诊断的解决方案,4、物联网的设备管理应用,环保监测及能源管理: 物联网与环保设备的融合实现了对工业生产过程中产生的各种污染源及污染治理各环节关键指标的实时监控。在重点排污企业排污口安装无线传感设备，不仅可以实时监测企业排污数据，而且可以远程关闭排污口，防止突发性环境污染事故的发生。电信运营商已开始推广基于物联网的污染治理实时监测解决方案,5、物联网的环保与能源管理应用,工业安全生产管理: 把感应器嵌入和装备到矿山设备、油气管道、矿工设备中，可以感知危险环境中工作人员、设备机器、周边环境等方面的安全状态信息，将现有分散、独立、单一的网络监管平台提升为系统、开放、多元的综合网络监管平台
12、，实现实时感知、准确辨识、快捷响应、有效控制,6、物联网的安全生产管理应用,二、光纤传感的优势与创新,光纤光栅技术,栅距d：反射波长l1,入射光,透射光,栅距d+Dd：反射波长l2,光纤光栅是一种选择性通光的光学敏感元件 随着栅距的变化，反射光波长发生相应的变化,反射光,非电传感，本质安全 无电传输，抗电磁干扰 一纤多点，动态多场：分布式、组网测量 柔性安装，形成智能材料 尺寸小、重量轻，减轻测量系统的重量 寿命长: 寿命 20 年以上,光纤,传感探头,利用光敏元件或材料，将被测参量转换为相应光信号的新一代传感技术 典型光纤传感 光纤陀螺 光纤光栅传感,信号处理,被测参量,1、光纤传感技术及特
13、点,20世纪末，光纤传感检测技术开始应用于工程结构的安全监测，表现出多方面的优势 近两年，国内外的学者在不断探索将光纤传感技术用于机械装备动态检测的问题 武汉理工大学利用光纤光栅传感检测技术，已对重大装备监测和诊断进行理论和工程应用的研究，具有开展本项目研究的基础和条件,2、光纤传感技术的应用,我国大型工程、石化和电力等众多行业中，传统监测手段不足以满足需求，急需如光纤传感这类先进可靠的长期安全监测技术与产品 各类油气罐几十万座 大中型桥梁38万余座，40超过25年 各类大型隧道7000余个 仅国有重点煤矿掘进超过500万米 各类水电大坝超过8万座 高压输变电线路数万公里 大型机械的安全监测
14、,2-1、光纤传感技术的应用：国内需求,缺乏实时在线长期安全监测技术手段，我国大型土木工程各类重大事故频频发生,辽宁盘锦田庄台大桥,湖南凤凰桥（2007年8月）,2-2、光纤传感技术的应用：土木工程,缺乏易燃易爆、高电压领域可靠安全监测技术手段，石化行业重大事故时有发生,2-3、光纤传感技术的应用：石化行业,我国电力行业各类重大事故影响很大,2-4 光纤传感技术的应用：电力工业,传统的催化燃烧式或电化学式传感器，寿命短、精度低、稳定性差、调校困难,煤矿瓦斯气体与瓦斯突出监测,2-5 光纤传感技术的应用：煤矿矿井,密闭巷道分布式监控技术,解调仪,CH4检测仪,CO检测仪,监控 计算机,CO探头,
15、CH4探头,监控室,井筒,密闭巷道,煤层,住宅小区、机场、铁路等事故频发：光纤光栅智能定址周界入侵自 适应报警系统是新一代的安防系统,2-6、光纤传感技术的应用：周界检测,安防集控平台 以太网交换机,光纤传感智能数据处理器,光纤传感智能数据处理器,园区无源光纤网络,园区无源光纤网络,光栅震动光缆,光栅震动光缆,光栅震动光缆,光栅震动光缆,3、光纤传感在航空发动机监测中的应用,在航空发动机监测与诊断方面应用的优势与创新,结构复杂：机、电、液综合 状态复杂：多维、动态、非线性 工况复杂：高温、高速、高压,航空发动机是飞机的“心脏”，是“制造业皇冠上的一颗明珠”。具有的特点是：,航空发动机多参数分布
16、式在线动态监测一直是世界各国研究的难点和热点（世界性难题），它对保障航空发动机的运行安全性，增强航空发动机研制的支撑平台，都具有重要的意义,沈阳航空发动机设计研究所是我国航空发动机研制的主要基地。我们通过长期的合作，在机匣应力分布和振动检测、主轴轴向力检测已经展开实验研究,航空发动机多点多参数在线动态监测的主要技术难点是： 由于结构复杂、紧凑，传感器布置、安装困难 对于高速、高温、高压的工况环境，传感器难以适应 多点多参数在线检测还需技术攻关 分布传感数据的传输困难,3、光纤传感在航空发动机监测中的应用,在港口装备监测与诊断方面的应用,工作环境恶劣 长期连续、重载作业 结构应力集中和疲劳损伤突出,港口装卸装备
