□文/馬強(qiáng)

（石家莊市自動(dòng)化研究所河北·石家莊）

光纖光柵是近年來發(fā)展極為迅速的一種新型光纖無源器件。由于光纖光柵具有高靈敏度、低損耗、易制作、性能穩(wěn)定可靠、易與系統(tǒng)及其他光纖器件連接等優(yōu)點(diǎn)，因而在光通信、光纖傳感等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。光纖光柵是利用光纖材料的光敏特性，在光纖的纖芯上產(chǎn)生空間周期性或非周期性折射率變化而制成的。光纖光柵傳感器是近幾年發(fā)展最快、最先進(jìn)的光纖無源器件之一，光纖光柵傳感器產(chǎn)業(yè)已被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為是最具有發(fā)展前途的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，它以技術(shù)含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、滲透能力強(qiáng)、市場(chǎng)前景廣等特點(diǎn)為世人所矚目。

一、光纖光柵傳感的優(yōu)勢(shì)

作為光纖傳感器的一種，近年來發(fā)展十分迅速，它之所以有這樣迅猛的發(fā)展，是因?yàn)樗c傳統(tǒng)的電傳感器等相比有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

1、具有非傳導(dǎo)性，對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小，又具有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點(diǎn)，適合在煤氣附近、電站、核設(shè)施、礦井下、油田以及油罐周圍等惡劣、高危險(xiǎn)環(huán)境中工作?？垢蓴_能力強(qiáng)，這一方面是因?yàn)槠胀ü饫w不會(huì)影響光波的頻率特性（忽略光纖的非線性效應(yīng)）；另一方面光纖光柵傳感系統(tǒng)從本質(zhì)上排除了各種光強(qiáng)起伏引起的干擾。

2、光纖輕巧柔軟，可以在一根光纖中寫入多個(gè)光柵，構(gòu)成傳感陣列，與波分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、分布式傳感。便于構(gòu)成各種形式的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，尤其是采用波分復(fù)用技術(shù)構(gòu)成分立式或分布式光纖光柵傳感器陣列，進(jìn)行大面積的、同時(shí)的多點(diǎn)測(cè)量。這對(duì)于大型土木結(jié)構(gòu)的健康檢測(cè)等方面有著重要的應(yīng)用。因此，人們十分重視該領(lǐng)域的研究，并且它已成為傳感領(lǐng)域的重要組成部分。

3、與光纖之間存在天然的兼容性，易與光纖連接、低損耗、光譜特性好、可靠性高。

4、傳感探頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、外形柔軟可變，適于各種場(chǎng)合，尤其是智能材料和結(jié)構(gòu)。便于埋入復(fù)合材料構(gòu)件及大型建筑物內(nèi)部，對(duì)結(jié)構(gòu)的完整性、安全性、載荷疲勞、損傷程度等狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。穩(wěn)定性高，重復(fù)性好。測(cè)量信息是波長(zhǎng)編碼的，所以光纖光柵傳感器不受光源的光強(qiáng)波動(dòng)、光纖連接器耦合損耗、彎曲損耗以及光波偏振態(tài)的變化等因素的影響，有較強(qiáng)的抗干擾能力。

5、測(cè)量信息是波長(zhǎng)編碼的，所以光纖光柵傳感器不受光源的光強(qiáng)波動(dòng)、光纖連接及耦合損耗以及光波偏振態(tài)的變化等因素的影響，有較強(qiáng)的抗干擾能力。

6、高靈敏度、高分辨率。該類傳感器的信息載體是光，無論以波長(zhǎng)還是相位為檢測(cè)對(duì)象都具有非常高的傳感精度。即便檢測(cè)其振幅或強(qiáng)度，若有效的運(yùn)用具有高分辨率的光電儀器，也可對(duì)某物理量的檢測(cè)具有非常高的精度。

正是由于具有這么多的優(yōu)點(diǎn)，近年來光纖光柵傳感器在大型土木工程結(jié)構(gòu)、航空航天等領(lǐng)域的健康監(jiān)測(cè)，以及能源化工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

二、光纖光柵傳感技術(shù)的應(yīng)用

1、在電力系統(tǒng)的應(yīng)用。光纖光柵傳感器在電力上的應(yīng)用，主要是通過對(duì)溫度的測(cè)量實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備的實(shí)時(shí)安全檢測(cè)。光纖光柵傳感器檢測(cè)的電力設(shè)備包括高壓開關(guān)柜隔離觸頭斷路器、線夾、隔離刀閘、互感器、變壓器、電抗器、阻波器等。對(duì)這些電力設(shè)備進(jìn)行溫度的在線監(jiān)測(cè)，診斷過熱的原因，再經(jīng)過處理分析故障，從而實(shí)現(xiàn)真正意義的在線安全監(jiān)測(cè)。

光纖光柵傳感器具有良好的抗電磁干擾性，是電力工業(yè)中有關(guān)參數(shù)監(jiān)測(cè)的理想傳感元件。在電力工業(yè)中，電流轉(zhuǎn)換器可把電流變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，電壓變化使陶瓷（PZT）產(chǎn)生變形，貼于PZT上的光纖光柵產(chǎn)生波長(zhǎng)漂移，從而得知電流強(qiáng)度。光纖光柵傳感器在長(zhǎng)距離電力輸電線載荷以及電力變壓器繞組的分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。光纖光柵傳感器可測(cè)電線的載重量，其原理為把載重量的變化轉(zhuǎn)化為緊貼電線的金屬板所受應(yīng)力的變化，這一應(yīng)力變化被黏于金屬板上的光纖光柵探測(cè)到。這是利用光纖光柵傳感器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離惡劣環(huán)境下測(cè)量的實(shí)例。

2、在航天器及船舶中的應(yīng)用。光纖光柵傳感器非常適合在航天器中應(yīng)用。光纖光柵傳感器在航天器中監(jiān)測(cè)飛行器的應(yīng)變、溫度、振動(dòng)、起落駕駛狀態(tài)、超聲波場(chǎng)和加速度等情況。因?yàn)閭鞲衅鞯闹亓恳M量輕，尺寸要盡量小，因此，靈巧的光纖光柵傳感器是最好的選擇。為了監(jiān)測(cè)一架飛行器的應(yīng)變、溫度、振動(dòng)、起落駕駛狀態(tài)、超聲波場(chǎng)和加速度等情況，通常需要100多個(gè)傳感器，故傳感器的重量要盡量輕，尺寸要盡量小，因此，靈巧的光纖光柵傳感器是最好的選擇；光纖光柵傳感器非常適合用來監(jiān)測(cè)輪船船體結(jié)構(gòu)，提供可影響材料性能的機(jī)械變化信息，監(jiān)測(cè)復(fù)合材料的硫化，在輪船的試用期擔(dān)當(dāng)監(jiān)測(cè)任務(wù)，測(cè)量船體的彎曲應(yīng)力，測(cè)量海浪對(duì)甲板的抨擊力。

3、在土木工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。光柵傳感器具有很好的檢測(cè)精度、線性響應(yīng)和重復(fù)性，可以為工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)，在一定程度上為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)提供了保障。大型土木工程結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施（如橋梁、超高層建筑、大型水壩等建筑）在其長(zhǎng)期的服役過程中，結(jié)構(gòu)不可避免地產(chǎn)生損傷積累，抗力減小，如不能了解結(jié)構(gòu)的健康情況，一旦事故發(fā)生就會(huì)帶來巨大的損失。光纖光柵傳感器的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)使得它們很容易粘貼于結(jié)構(gòu)表面或者嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的實(shí)時(shí)分布式監(jiān)測(cè)。光柵光纖傳感器在工程施工期間，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在工程建成之后，可以監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的健康狀況以及載荷分布情況。

4、在石油工業(yè)中的應(yīng)用。光纖光柵傳感器非常適合在石油領(lǐng)域里應(yīng)用。油井井溫在石油勘探、開采和生產(chǎn)中是一個(gè)極其重要的參數(shù)，它對(duì)確定油層位置、厚度、含水地層的深度等具有決定性的意義，分布式光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)為井溫測(cè)量提供了一種全新的手段，系統(tǒng)使用柔軟、芯徑細(xì)小、本身絕緣并與光纖光柵天然相容的光纖作為感知并傳送信號(hào)的媒體，可以在惡劣的環(huán)境下對(duì)形狀復(fù)雜的溫度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)快速地檢測(cè)和定位。

5、在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。光纖光柵傳感器是目前為止最小的傳感器，能夠通過最小限度的侵害方式測(cè)量人體組織內(nèi)部的溫度、壓力、聲波場(chǎng)的精確局部信息。此點(diǎn)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中非常重要，因?yàn)樾〉某叽鐚?duì)人體組織的傷害較小。光纖光柵傳感系統(tǒng)已經(jīng)能成功地檢測(cè)病變組織的溫度和超聲波場(chǎng)，為研究病變組織提供信息。巴西的Wehrle等人用彈性膠帶將光纖光柵應(yīng)變傳感器固定在病人的胸部，通過胸腔的變化，測(cè)量呼吸過程的頻譜。

三、光纖光柵技術(shù)未來發(fā)展前景

由于光纖光柵傳感器具有傳感信號(hào)對(duì)波長(zhǎng)絕對(duì)編碼、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，對(duì)光纖光柵傳感器的研究方向主要有三個(gè)方面：一是對(duì)高靈敏度、高分辨力傳感器的研究；二是對(duì)光纖光柵反射信號(hào)和透射信號(hào)分析和測(cè)試系統(tǒng)的研究，目標(biāo)是開發(fā)低成本、小型化、可靠及靈敏的探測(cè)技術(shù)；三是光纖光柵傳感器實(shí)用技術(shù)的研究，包括封裝技術(shù)、溫度補(bǔ)償技術(shù)和傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。工業(yè)施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較惡劣，光纖纖細(xì)易斷，采用先進(jìn)的封裝工藝使得光纖光柵傳感器在惡劣的環(huán)境中正常工作尤為重要。另外，應(yīng)變、溫度交叉敏感的問題解決的好壞直接影響到光纖光柵傳感器的實(shí)用化，而且，多參量同時(shí)傳感是發(fā)展方向。光纖光柵傳感器相對(duì)于其他傳統(tǒng)傳感器的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)在于可以很方便地構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)分布式傳感，因此，發(fā)展網(wǎng)絡(luò)技術(shù)勢(shì)在必行。

雖然光纖光柵傳感器具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是，目前一些實(shí)用技術(shù)還不成熟，影響了光纖光柵傳感器從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用。另外，偏高的市場(chǎng)價(jià)格也影響了其在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用，這有待從原理、原材料和制作工藝等方面入手，降低生產(chǎn)成本，研制出適合中國(guó)傳感器市場(chǎng)的優(yōu)質(zhì)低價(jià)光纖光柵傳感器。

為了進(jìn)一步發(fā)展光纖光柵傳感器，還要做許多研究工作。一是繼續(xù)深入研究光纖光柵的基本性能，包括傳感機(jī)理、工藝技術(shù)增敏去敏方法、多參量同時(shí)測(cè)量途徑等；二是加強(qiáng)光纖光柵波長(zhǎng)檢測(cè)技術(shù)的研究，促進(jìn)光纖光柵傳感及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展；三是完善現(xiàn)有的光柵寫入方法及其封裝技術(shù)，研究新的寫入方法，尤其是非均勻光柵的寫入方法，降低成本，提高壽命。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖光柵傳感技術(shù)的新成果不斷涌現(xiàn)，相信在不久的將來光纖光柵傳感器勢(shì)必在很多領(lǐng)域取代傳統(tǒng)的傳感器。其在橋梁、土木結(jié)構(gòu)、大型裝備、電力、高壓電氣設(shè)備等領(lǐng)域的市場(chǎng)占有率將會(huì)快速增長(zhǎng)，相對(duì)應(yīng)的新技術(shù)成果的生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化將會(huì)更多、更快。

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