馬強(qiáng)

摘要：光纖光柵傳感器作為一種新型的光纖傳感器具備可靠性強(qiáng)、精度高、防水性強(qiáng)、靈敏度高、受外界環(huán)境因素影響小、易于組建傳感網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn)，而且光纖光柵傳感器應(yīng)用的領(lǐng)域更廣，潛力更大，在石油化工、電子信息、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，并有學(xué)者將光纖傳感器技術(shù)應(yīng)用于地震監(jiān)測(cè)，取得較理想的效果。本文主要介紹了光纖光柵傳感的特點(diǎn)、工作原理與光纖光柵傳感技術(shù)的應(yīng)用，討論了光纖光柵傳感技術(shù)的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：光纖光柵? 傳感? 應(yīng)用技術(shù)? 應(yīng)用前景

Abstract： As a new type of optical fiber sensor， fiber Bragg grating sensor has the characteristics of strong reliability， high precision， strong waterproof， high sensitivity， less affected by external environmental factors， easy to establish sensor network and so on. In addition， fiber Bragg grating sensor has wider application fields and greater potential， and is widely used in petrochemical industry， electronic information， geological exploration and other fields. Some scholars have applied optical fiber sensor technology to earthquake monitoring and achieved good results. This paper mainly introduces the characteristics， working principle and application of fiber Bragg grating sensing technology， and discusses the application prospect of fiber Bragg grating sensing technology.

Key Words： Fiber Bragg grating; Sensing; Application technology; Application prospect

光纖光柵傳感技術(shù)主要是以光信號(hào)的形式進(jìn)行傳輸，光纖光柵傳感技術(shù)從本質(zhì)上來說不受電磁干擾，抗干擾能力強(qiáng);光纖光柵傳感器可以做到較小的體積，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道交通結(jié)構(gòu)在無任何損傷的情況下進(jìn)行安全合理的布設(shè);采用波長編碼的形式，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);同時(shí)光纖光柵傳感技術(shù)還具有精度高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可以進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變、位移、加速度、溫度等多種參量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[1]。光纖光柵傳感器的反射光波長對(duì)溫度、應(yīng)變等外界環(huán)境因素敏感性高，因此能以高分辨率測(cè)量許多物理參數(shù)[2]。通過飛秒激光等技術(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)低成本、大批量化的生產(chǎn)光纖光柵傳感器。通過激光掃描等技術(shù)，就可以實(shí)時(shí)高精度的監(jiān)測(cè)相關(guān)信息。光纖光柵傳感技術(shù)可以利用一根光纖，通過串聯(lián)的方式，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)位實(shí)時(shí)測(cè)量，在石油化工、電子信息、地質(zhì)勘探等眾多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

1光纖光柵傳感的特點(diǎn)

光纖光柵傳感器作為一種新型的傳感器，其主要特點(diǎn)是可靠性強(qiáng)、精度高、受外界環(huán)境影響小、易于組建傳感網(wǎng)絡(luò)等，在石油化工、電子信息、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[3]。目前已有研究學(xué)者將光纖傳感器技術(shù)應(yīng)用于地震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)當(dāng)中，并且取得了比較理想的效果。近幾年來光纖光柵傳感器應(yīng)用越來越廣泛，并逐步在目前市場上對(duì)現(xiàn)有的傳統(tǒng)的電傳感器進(jìn)行了更新替代，與傳統(tǒng)的電傳感器相比較，光纖光柵傳感器主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)。

（1）光纖自身纖細(xì)，具有經(jīng)久耐用、安全可靠、性能十分穩(wěn)定的特點(diǎn)。與其相對(duì)應(yīng)的光纖光柵傳感器具有非傳導(dǎo)性、質(zhì)量輕、可靠性強(qiáng)、精度高、受外界環(huán)境影響小、易于組建傳感網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn)，并對(duì)布置部位數(shù)和被測(cè)對(duì)象影響較小，易于埋設(shè)并對(duì)埋設(shè)對(duì)象基本無任何損傷?；谶@些特點(diǎn)使光纖光柵傳感器其更適合在煤炭勘測(cè)、電力設(shè)施監(jiān)測(cè)、油庫油站監(jiān)測(cè)、礦下井下安全作業(yè)、氣罐和油罐監(jiān)測(cè)、隧道和橋梁沖擊、振動(dòng)阻尼、形狀控制檢測(cè)等惡劣、高風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)境中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作。

（2）光纖光柵傳感器具有故障率低、維護(hù)性強(qiáng)、性價(jià)比高、可靠性好、敏度高、壽命長等特點(diǎn)，并能在建筑物內(nèi)部進(jìn)行多位置的布設(shè)，并可以進(jìn)行多參數(shù)的獨(dú)立監(jiān)測(cè)，對(duì)外提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息。

（3）光纖光柵傳感器的傳感探頭外形簡潔、質(zhì)量輕盈、材質(zhì)柔軟、安裝便捷，可裝設(shè)于各種復(fù)雜的環(huán)境和場所，埋設(shè)于隧道、橋梁等建筑物內(nèi)部，對(duì)隧道、橋梁等建筑物內(nèi)部進(jìn)行沖擊和形狀控制進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)問題實(shí)時(shí)進(jìn)行預(yù)警提示，及時(shí)進(jìn)行人為干預(yù)，從而消除安全隱患，確保建筑物結(jié)構(gòu)的完整性、安全性。光纖光柵傳感器的傳感探頭性能穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。由于光纖光柵傳感器的傳感探頭監(jiān)測(cè)信息是通過波長進(jìn)行編碼，因此其不受光纖連接器耦合損耗和光源的光強(qiáng)波動(dòng)等因素的干擾，光纖光柵傳感器的傳感探頭抗干擾能力比較強(qiáng)。

2光纖光柵傳感器的工作原理

通過光誘導(dǎo)作用下，在摻加鍺材料的光纖中產(chǎn)生出了光柵效應(yīng)，1978年，Hill等研究人員在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，世界上第一根光纖光柵從此被成功地制作出來[4]。大量的研究人員開始深入研究探索光纖光柵的基本原理、制作方法和光纖光柵技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，并且進(jìn)行了大量的技術(shù)改進(jìn)和完善工作。石英是構(gòu)成光纖的主要材料，主要是由芯層和包層組成，外層通過涂覆層進(jìn)行保護(hù)。光纖光柵的種類比較繁多，其中最為典型的也是發(fā)展最早的光纖光柵就是光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG），F(xiàn)BG也是應(yīng)用最廣泛的光纖光柵之一。

與其他傳統(tǒng)的傳感設(shè)備相比，光纖光柵傳感器主要是基于光纖傳輸?shù)奶匦?，它最早起源于光纖通信技術(shù)，通過多年的探索實(shí)踐和應(yīng)用研究，目前已經(jīng)被廣泛使用。 例如在石油化工、電子信息、地質(zhì)勘探、土木和道路橋梁工程的檢測(cè)中經(jīng)常使用。光纖傳感器中的光纖和一般通信中的光纖結(jié)構(gòu)十分相似，分為3個(gè)部分：纖芯、包層和涂覆層。光纖纖芯以二氧化硅為主，基于全內(nèi)反射物理原理，特定的光波會(huì)在纖芯中傳輸[5]。由于纖芯存在著光敏感這一特性，根據(jù)光源的不同，光纖折射率進(jìn)而會(huì)隨之進(jìn)行相應(yīng)的改變，因此溫度、濕度、變形、張力發(fā)生變化的量測(cè)，可以通過光纖光柵中波長的變化，從而進(jìn)行精準(zhǔn)的量測(cè)。光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)非常簡單，光纖光柵傳感器可以做到較小的體積，光纖光柵傳感器還具有可靠性強(qiáng)、精度高、防水性強(qiáng)、靈敏度高的特點(diǎn)，并且相比較其他類型的傳感設(shè)備，光纖光柵傳感器的穩(wěn)定性好、可靠度高、受外界環(huán)境因素影響小、易于組建傳感網(wǎng)絡(luò)，在實(shí)際應(yīng)用中可在建筑物內(nèi)部進(jìn)行多位置的布設(shè)，并可以進(jìn)行多參數(shù)的獨(dú)立實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而在復(fù)雜的建筑物結(jié)構(gòu)中充分發(fā)揮其能力。

3光纖光柵傳感技術(shù)的應(yīng)用

20世紀(jì)末期，光纖光柵傳感技術(shù)出現(xiàn)以后，并逐步進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用。由于光纖光柵傳感技術(shù)具有可靠性強(qiáng)、精度高、防水性強(qiáng)、靈敏度高、受外界環(huán)境影響小、易于組建傳感網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn)，光纖光柵傳感技術(shù)大規(guī)模地應(yīng)用在洞室、隧道安全性、穩(wěn)定性方面的監(jiān)測(cè)，對(duì)洞室、隧道周圍巖（土）體有影響的巖（土）體進(jìn)行實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)[6]。國內(nèi)的北京品傲光電科技有限公司、武漢理工光科股份有限公司、上海波匯科技有限公司、國外的美國MOI、SmartFiber、加拿大FISO等科研機(jī)構(gòu)和研發(fā)企業(yè)主要從事光纖光柵傳感器的生產(chǎn)和應(yīng)用研究。

3.1在土木工程中的應(yīng)用

利用光纖光柵傳感器對(duì)隧道、橋梁、建筑物等進(jìn)行多點(diǎn)位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以獲取相關(guān)建筑物的載荷及健康狀況信息。在土木工程建設(shè)過程中可以提前將光纖光柵傳感器埋入相關(guān)建筑物的結(jié)構(gòu)中，也可以等項(xiàng)目竣工后把光纖光柵傳感器貼附于相關(guān)建筑物表面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過串聯(lián)組建傳感網(wǎng)絡(luò)的方式，可實(shí)現(xiàn)利用計(jì)算機(jī)對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)進(jìn)行分布式的監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.2在電力設(shè)施中的應(yīng)用

在電力行業(yè)中，最典型的應(yīng)用就是利用光纖光柵傳感器測(cè)量高壓變壓器繞阻熱點(diǎn)的溫度，從而進(jìn)行故障的診斷和預(yù)警，實(shí)時(shí)對(duì)電力設(shè)施的安全運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保持電力設(shè)施在最佳功率狀態(tài)下進(jìn)行工作。

3.3在鋼鐵冶煉中的應(yīng)用

在鋼鐵冶煉企業(yè)的鋼液澆鑄生產(chǎn)作業(yè)過程中，通過光纖光柵傳感應(yīng)用技術(shù)，研制出光纖漏渣檢測(cè)裝置對(duì)相關(guān)參數(shù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以有效防止鋼液被氧化、提高生產(chǎn)加工產(chǎn)品的品質(zhì)，防止在生產(chǎn)作業(yè)過程中鑄坯出現(xiàn)質(zhì)量問題及誤判漏渣的問題。

3.4在生產(chǎn)過程中對(duì)設(shè)備安全性進(jìn)行監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

光纖光柵傳感器是具有防火防爆特點(diǎn)的器件，性能安全、穩(wěn)定、可靠。在企業(yè)生產(chǎn)過程中，利用光纖光柵傳感器防火防爆特點(diǎn)和性能安全、穩(wěn)定、可靠這一特性，可以對(duì)反應(yīng)罐等高溫高壓狀態(tài)的設(shè)備表面進(jìn)行感溫網(wǎng)格多點(diǎn)位的鋪設(shè)，對(duì)反應(yīng)罐等高溫高壓狀態(tài)的設(shè)備的表面溫度等特性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可相對(duì)精準(zhǔn)地發(fā)現(xiàn)安全問題，及時(shí)進(jìn)行預(yù)警，消除安全隱患，保證反應(yīng)罐等高溫高壓狀態(tài)的設(shè)備的正常工作。

3.5在河道湖泊遙感中的應(yīng)用

通過光纖光柵水位傳感器，對(duì)河道、湖泊及城市污水管網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)傳統(tǒng)傳感器精度要更高，當(dāng)水位發(fā)生變化時(shí)會(huì)引起FBG的拉伸或壓縮，對(duì)水位進(jìn)行實(shí)時(shí)的遙感遙測(cè)。

3.6在航空航海中的應(yīng)用

光纖光柵傳感器在航空、航海中應(yīng)用比較廣泛。在航空中，利用光纖光柵傳感器對(duì)飛行裝置的升空及降落、運(yùn)行幅度、運(yùn)行速度、加速情況、溫度、濕度等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。根據(jù)對(duì)飛行裝置的監(jiān)測(cè)參數(shù)要求，一般需要近百個(gè)傳感器，因光纖光柵傳感器質(zhì)量輕盈、材質(zhì)柔軟、安裝便捷，所以是最好的選擇;光纖光柵傳感器在航海中多用對(duì)船只的性能、運(yùn)行速度、海浪對(duì)船只的沖擊情況等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4 光纖光柵技術(shù)應(yīng)用前景

目前我國要求在石油勘探、電力設(shè)施、隧道、橋梁、軌道交通等消防方面配備消防安全預(yù)警信息化應(yīng)用系統(tǒng)，光纖光柵傳感技術(shù)作為新一代的傳感技術(shù)具有可靠性強(qiáng)、精度高、防水性強(qiáng)、靈敏度高、受外界環(huán)境影響小、易于組建傳感網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn)，而且光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域更廣，潛力更大，光纖光柵傳感技術(shù)也迅速在這些行業(yè)的領(lǐng)域奠定了應(yīng)用基礎(chǔ)，光纖光柵傳感技術(shù)的應(yīng)用正在快速發(fā)展。

5結(jié)語

光纖光柵傳感器雖然有很多的優(yōu)點(diǎn)，但是目前光纖光柵傳感器相關(guān)的一些應(yīng)用技術(shù)不太完善，光纖光柵傳感器進(jìn)行推廣應(yīng)用受到了一定的局限。光纖光柵傳感器的價(jià)格也相對(duì)比較高，這對(duì)光纖光柵傳感器的推廣應(yīng)用市場也有一定影響，這就需要下一步從光纖光柵傳感器基應(yīng)用原理、應(yīng)用材料和研發(fā)制作工藝等方面嚴(yán)格把控其成本，研發(fā)制造出適合光纖光柵傳感器應(yīng)用市場的性能優(yōu)、價(jià)格低的光纖光柵傳感器。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，光纖光柵傳感應(yīng)用的新技術(shù)、新工藝、新成果的進(jìn)一步涌現(xiàn)，將來光纖光柵傳感器會(huì)在更多領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用推廣，從而替代傳統(tǒng)的傳感器，光纖光柵傳感器應(yīng)用在土木工程、健康醫(yī)療、石油勘探、電力電氣設(shè)備、電子信息、生物醫(yī)藥等眾多領(lǐng)域的市場份額將會(huì)進(jìn)一步大幅增長，與其相對(duì)應(yīng)的技術(shù)成果轉(zhuǎn)化也將進(jìn)一步加快。

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