光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用研究

□文/馬強(qiáng)

（石家莊市自動化研究所河北·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，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)、市場前景廣等特點為世人所矚目。

一、光纖光柵傳感的優(yōu)勢

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，是因為它與傳統(tǒng)的電傳感器等相比有其獨特的優(yōu)點。

1、具有非傳導(dǎo)性，對被測介質(zhì)影響小，又具有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點，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、高危險環(huán)境中工作?？垢蓴_能力強(qiáng)，這一方面是因為普通光纖不會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光柵，構(gòu)成傳感陣列，與波分復(fù)用和時分復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)多點、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、同時的多點測量。這對于大型土木結(jié)構(gòu)的健康檢測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)簡單、體積小、重量輕、外形柔軟可變，適于各種場合，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)實時監(jiān)測。穩(wěn)定性高，重復(fù)性好。測量信息是波長編碼的，所以光纖光柵傳感器不受光源的光強(qiáng)波動、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、測量信息是波長編碼的，所以光纖光柵傳感器不受光源的光強(qiáng)波動、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，無論以波長還是相位為檢測對象都具有非常高的傳感精度。即便檢測其振幅或強(qiáng)度，若有效的運(yùn)用具有高分辨率的光電儀器，也可對某物理量的檢測具有非常高的精度。

正是由于具有這么多的優(yōu)點，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，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，主要是通過對溫度的測量實現(xiàn)對電力設(shè)備的實時安全檢測。光纖光柵傳感器檢測的電力設(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。對這些電力設(shè)備進(jìn)行溫度的在線監(jiān)測，診斷過熱的原因，再經(jīng)過處理分析故障，從而實現(xiàn)真正意義的在線安全監(jiān)測。

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)生波長漂移，從而得知電流強(qiáng)度。光纖光柵傳感器在長距離電力輸電線載荷以及電力變壓器繞組的分布式實時監(jiān)測方面具有獨特的優(yōu)勢。光纖光柵傳感器可測電線的載重量，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到。這是利用光纖光柵傳感器實現(xiàn)遠(yuǎn)距離惡劣環(huán)境下測量的實例。

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)測飛行器的應(yīng)變、溫度、振動、起落駕駛狀態(tài)、超聲波場和加速度等情況。因為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。為了監(jiān)測一架飛行器的應(yīng)變、溫度、振動、起落駕駛狀態(tài)、超聲波場和加速度等情況，通常需要100多個傳感器，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)測復(fù)合材料的硫化，在輪船的試用期擔(dān)當(dāng)監(jiān)測任務(wù)，測量船體的彎曲應(yīng)力，測量海浪對甲板的抨擊力。

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精度、線性響應(yīng)和重復(fù)性，可以為工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測提供數(shù)據(jù)，在一定程度上為實現(xiàn)長期監(jiān)測提供了保障。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)生就會帶來巨大的損失。光纖光柵傳感器的獨特優(yōu)點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，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)狀態(tài)的實時分布式監(jiān)測。光柵光纖傳感器在工程施工期間，可以進(jìn)行實時監(jiān)測，在工程建成之后，可以監(jiān)測結(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)中是一個極其重要的參數(shù)，它對確定油層位置、厚度、含水地層的深度等具有決定性的意義，分布式光纖光柵測溫系統(tǒng)為井溫測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的媒體，可以在惡劣的環(huán)境下對形狀復(fù)雜的溫度場進(jìn)行實時快速地檢測和定位。

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量人體組織內(nèi)部的溫度、壓力、聲波場的精確局部信息。此點在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中非常重要，因為小的尺寸對人體組織的傷害較小。光纖光柵傳感系統(tǒng)已經(jīng)能成功地檢測病變組織的溫度和超聲波場，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對波長絕對編碼、抗電磁干擾等優(yōu)點，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，對光纖光柵傳感器的研究方向主要有三個方面：一是對高靈敏度、高分辨力傳感器的研究；二是對光纖光柵反射信號和透射信號分析和測試系統(tǒng)的研究，目標(biāo)是開發(fā)低成本、小型化、可靠及靈敏的探測技術(shù)；三是光纖光柵傳感器實用技術(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用化，而且，多參量同時傳感是發(fā)展方向。光纖光柵傳感器相對于其他傳統(tǒng)傳感器的一個重要優(yōu)勢在于可以很方便地構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)分布式傳感，因此，發(fā)展網(wǎng)絡(luò)技術(shù)勢在必行。

雖然光纖光柵傳感器具有很多優(yōu)點，但是，目前一些實用技術(shù)還不成熟，影響了光纖光柵傳感器從實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用。另外，偏高的市場價格也影響了其在國內(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，研制出適合中國傳感器市場的優(yōu)質(zhì)低價光纖光柵傳感器。

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、多參量同時測量途徑等；二是加強(qiáng)光纖光柵波長檢測技術(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)域的市場占有率將會快速增長，相對應(yīng)的新技術(shù)成果的生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化將會更多、更快。

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