光纖光柵傳感器的應(yīng)用

        一、光纖光柵傳感器的優(yōu)勢(shì)

       與傳統(tǒng)的傳感器相比,光纖Bragg光柵傳感器具有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):

       (1) 傳感頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、外形可變, 適合埋入大型結(jié)構(gòu)中, 可測(cè)量結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變及結(jié)構(gòu)損傷等, 穩(wěn)定性、重復(fù)性好;
       (2) 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;
       (3) 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), 適合在惡劣環(huán)境中工作;
       (4) 輕巧柔軟, 可以在一根光纖中寫(xiě)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)用系統(tǒng)相結(jié)合, 實(shí)現(xiàn)分布式傳感;
       (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、高分辯力。

正是由于具有這么多的優(yōu)點(diǎn),近年來(lái),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。
光纖Bragg光柵傳感器無(wú)疑是一種優(yōu)秀的光纖傳感器，尤其在測(cè)量應(yīng)力和應(yīng)變的場(chǎng)合，具有其它一些傳感器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是智能結(jié)構(gòu)中最有希望集成在材料內(nèi)部，作為監(jiān)測(cè)材料和結(jié)構(gòu)的載荷，探測(cè)其損傷的傳感器。

       二、光纖光柵的傳感應(yīng)用

        1、土木及水利工程中的應(yīng)用

        土木工程中的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)是光纖光柵傳感器應(yīng)用最活躍的領(lǐng)域。

        力學(xué)參量的測(cè)量對(duì)于橋梁、礦井、隧道、大壩、建筑物等的維護(hù)和健康狀況監(jiān)測(cè)是非常重要的.通過(guò)測(cè)量上述結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布,可以預(yù)知結(jié)構(gòu)局部的載荷及健康狀況.。光纖光柵傳感器可以貼在結(jié)構(gòu)的表面或預(yù)先埋入結(jié)構(gòu)中,對(duì)結(jié)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行健康檢測(cè)、沖擊檢測(cè)、形狀控制和振動(dòng)阻尼檢測(cè)等,以監(jiān)視結(jié)構(gòu)的缺陷情況.。 另外,多個(gè)光纖光柵傳感器可以串接成一個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò),對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)分布式檢測(cè),可以用計(jì)算機(jī)對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

        （1）在橋梁安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用       

       目前, 應(yīng)用光纖光柵傳感器最多的領(lǐng)域當(dāng)數(shù)橋梁的安全監(jiān)測(cè)。斜拉橋斜拉索、懸索橋主纜及吊桿和系桿拱橋系桿等是這些橋梁體系的關(guān)鍵受力構(gòu)件,其他土木工程結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力錨固體系,如結(jié)構(gòu)加固采用的錨索、錨桿也是關(guān)鍵的受力構(gòu)件。上述受力構(gòu)件的受力大小及分布變化最直接地反映結(jié)構(gòu)的健康狀況,因此對(duì)這些構(gòu)件的受力狀況監(jiān)測(cè)及在此基礎(chǔ)上的安全分析評(píng)估具有重大意義。

        加拿大卡爾加里附近的Beddington Trail 大橋是最早使用光纖光柵傳感器進(jìn)行測(cè)量的橋梁之一(1993 年), 16 個(gè)光纖光柵傳感器貼在預(yù)應(yīng)力混凝土支撐的鋼增強(qiáng)桿和炭纖復(fù)合材料筋上,對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè), 而這在以前被認(rèn)為是不可能。德國(guó)德累斯頓附近A 4 高速公路上有一座跨度72 m的預(yù)應(yīng)力混凝土橋, 德累斯頓大學(xué)的Meis－sner 等人將布拉格光柵埋入橋的混凝土棱柱中, 測(cè)量荷載下的基本線性響應(yīng), 并且用常規(guī)的應(yīng)變測(cè)量?jī)x器作了對(duì)比試驗(yàn), 證實(shí)了光纖光柵傳感器的應(yīng)用可行性。瑞士應(yīng)力分析實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室, 在瑞士洛桑附近的V aux 箱形梁高架橋的建造過(guò)程中, 使用了32個(gè)光纖光柵傳感器對(duì)箱形梁被推拉時(shí)的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變進(jìn)行了監(jiān)測(cè), 32個(gè)光纖光柵分布于箱形梁的不同位置、用掃描法- 泊系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)解調(diào)。

        2003年6月，同濟(jì)大學(xué)橋梁系史家均老師主持的盧浦大橋健康檢測(cè)項(xiàng)目中，采用了上海紫珊光電的光纖光柵傳感器，用于檢測(cè)大橋在各種情況下的應(yīng)力應(yīng)變和溫度變化情況。

        施工情況：

        整個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目的實(shí)施主要包括傳感器布設(shè)、數(shù)據(jù)測(cè)量和數(shù)據(jù)分析三大步。
       在盧浦大橋選定的端面上布設(shè)了8個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器和4個(gè)光纖光柵溫度傳感器，其中8個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器串接為1路，4個(gè)溫度傳感器串接為1路，然后通過(guò)光纖傳輸?shù)綐蚬芩?，?shí)現(xiàn)大橋的集中管理。

        數(shù)據(jù)測(cè)量的周期根據(jù)業(yè)主的要求來(lái)確定，通過(guò)在橋面加載的方式，利用光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀，完成橋梁的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試。

      （2）在混凝土梁應(yīng)變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

        1989年, 美國(guó)Brown University 的Mendez 等人首先提出把光纖傳感器埋入混凝土建筑和結(jié)構(gòu)中, 并描述了實(shí)際應(yīng)用中這一研究領(lǐng)域的一些基本設(shè)想。此后, 美國(guó)、英國(guó)、加拿大、日本等國(guó)家的大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)投入了很大力量研究光纖傳感器在智能混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

        在混凝土結(jié)構(gòu)澆注時(shí)所遇到的一個(gè)非常棘手的問(wèn)題是: 如何才能在混凝土澆搗時(shí)避免破壞傳感器及光纜。光纖Bragg光柵通常寫(xiě)于普通單模通訊光纖上, 其質(zhì)地脆, 易斷裂, 為適應(yīng)土木工程施工粗放性的特點(diǎn), 在將其作為傳感器測(cè)量建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)變時(shí),應(yīng)采取適當(dāng)保護(hù)措施。

        一種可行的方案是：在鋼筋籠中布置好混凝土應(yīng)變傳感器的光纖線路后, 將混凝土應(yīng)變傳感器用鐵絲等按照預(yù)定位置固定在鋼筋籠中, 然后將中間段用紗布纏繞并用膠帶固定。而對(duì)粘貼式鋼筋應(yīng)變傳感器一般則用外涂膠層進(jìn)行保護(hù)。

        2003年9月，上海紫珊光電技術(shù)有限公司自主研發(fā)的光纖光柵傳感應(yīng)變計(jì)埋設(shè)于混凝土中對(duì)北京中關(guān)村某標(biāo)志性建筑進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量。上海紫珊光電技術(shù)有限公司自主研發(fā)的光線光柵應(yīng)變計(jì)具有精度高（一般為1με，如果是小量程的應(yīng)變測(cè)量，可以達(dá)到0.5με）、可靠性高、安裝方式多樣、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，成功應(yīng)用于北京中關(guān)村某標(biāo)志性建筑中，布設(shè)在鋼梁上并埋設(shè)在混凝土中對(duì)支柱鋼梁進(jìn)行施工過(guò)程監(jiān)測(cè)。

        （3）在水位遙測(cè)中的應(yīng)用

        在光纖光柵技術(shù)平臺(tái)上研制出的高精度光學(xué)水位傳感器專(zhuān)門(mén)用于江河、湖泊以及排污系統(tǒng)水位的測(cè)量。傳感器的精度可以到達(dá)±0.1％F•S。光纖安裝在傳感器內(nèi)部，由于光纖纖芯折射率的周期性變化形成了FBG，并反射符合布拉格條件的某一波長(zhǎng)的光信號(hào)。當(dāng)FBG與彈性膜片或其它設(shè)備連接在一起時(shí)，水位的變化會(huì)拉伸或壓縮FBG。而且，反射波長(zhǎng)會(huì)隨著折射率周期性變化而發(fā)生變化。那么，根據(jù)反射波長(zhǎng)的偏移就可以監(jiān)測(cè)出水位的變化。

        （4）在公路健康檢測(cè)中的應(yīng)用

        公路健康監(jiān)測(cè)必要性：

        交通是與人們息息相關(guān)的事情，同樣也是制約城市發(fā)展的主要因素，可以說(shuō)交通的好壞可以直接決定一個(gè)城市的發(fā)展命運(yùn)。每年國(guó)家都要投入大量資金用在公路修建以及維護(hù)上，其中維護(hù)費(fèi)用占據(jù)了很大一部分。即便是這樣，每年仍然有大量公路遭到破壞，公路的早期損壞已成為影響高速公路使用功能的發(fā)揮和誘發(fā)交通事故的一大病害。，而破壞一般都是因?yàn)槠?chē)超載，超速以及自然原因引起的，并且也和公路修建的質(zhì)量有很大關(guān)系。所以在公路施工過(guò)程以及使用過(guò)程中進(jìn)行健康檢測(cè)是非常有必要的?，F(xiàn)在的公路一般分三層進(jìn)行施工，分為底基層、普通層和瀝青層，在施工過(guò)程中埋入溫度以及應(yīng)變傳感器可以及時(shí)得到溫度以及應(yīng)變的變化情況，對(duì)公路質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。詳細(xì)了解施工材料的特點(diǎn)以及影響施工質(zhì)量的因素。

        傳感器設(shè)計(jì)方案：

　　由于公路施工過(guò)程中條件比較惡劣，主要問(wèn)題有以下幾點(diǎn)：
　　1. 在瀝青層鋪設(shè)過(guò)程中溫度可達(dá)160℃。
　　2. 在施工過(guò)程中，每層受到的壓力達(dá)20t 以上。
　　3. 由于瀝青層隨著環(huán)境溫度變化，其強(qiáng)度變化明顯。傳感器需要能真實(shí)反映瀝青層應(yīng)變。所以傳感器在埋入過(guò)程中的成活率是最關(guān)鍵的問(wèn)題。
  
        首先為了解決高溫的問(wèn)題，傳感器本身采用不銹鋼材料封裝，尾纖采用抗高溫鎧裝光纜。為了使傳感器在強(qiáng)壓力下仍然能繼續(xù)工作，并且和瀝青層比較好的配合，能真實(shí)反映瀝青層撓度，設(shè)計(jì)傳感器外形的時(shí)候可以采用增加瀝青層與傳感器的接觸面積。

               這樣，在城市交通要道以及高速公路監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋入傳感器，組建公路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，統(tǒng)一監(jiān)控。在數(shù)據(jù)處理方面進(jìn)行研究，除了能監(jiān)測(cè)公路健康狀況，還可實(shí)現(xiàn)車(chē)流量統(tǒng)計(jì)，對(duì)公路上超速超載情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)等功能。

        2、航空航天中的應(yīng)用

        智能材料與結(jié)構(gòu)的研究起源于20世紀(jì)80年代的航空航天領(lǐng)域。1979年，美國(guó)國(guó)家宇航局（NASA）創(chuàng)始了一項(xiàng)光纖機(jī)敏結(jié)構(gòu)與蒙皮計(jì)劃，首次將光纖傳感器埋入先進(jìn)聚合物復(fù)合材料蒙皮中，用以監(jiān)控復(fù)合材料應(yīng)變與溫度。
先進(jìn)的復(fù)合材料抗疲勞、抗腐蝕性能較好，而且可以減輕船體或航天器的重量，對(duì)于快速航運(yùn)或飛行具有重要意義，因此復(fù)合材料越來(lái)越多地被用于制造航空航海工具(如飛機(jī)的機(jī)翼)。

         另外，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，尺寸盡量小，因此最靈巧的光纖光柵傳感器是最好的選擇。另外，實(shí)際上飛機(jī)的復(fù)合材料中存在兩個(gè)方向的應(yīng)變，嵌人材料中的光纖光柵傳感器是實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)多軸向應(yīng)變和 溫度測(cè)量的理想智能元件。

         美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局對(duì)光纖光柵傳感器的應(yīng)用非常重視, 他們?cè)诤教祜w機(jī)X-33上安裝了測(cè)量應(yīng)變和溫度的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò), 對(duì)航天飛機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的健康監(jiān)測(cè)。X-33是一架原型機(jī), 設(shè)計(jì)用來(lái)作“國(guó)際空間站”的往返飛行。

        BlueRoadResearch 聯(lián)合美國(guó)海軍空戰(zhàn)中心和波音幻影工作組, 使用B IueRoadResearch 生產(chǎn)的光纖光柵傳感器對(duì)飛機(jī)的粘和接頭完好性進(jìn)行了評(píng)估。以前這種評(píng)估所常用的方法, 如超聲波和X 射線, 非常耗時(shí)而且信號(hào)難以處理。美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室將光纖光柵傳感器固定在飛機(jī)輕型天線反射器的不同位置, 測(cè)量縱向應(yīng)變、彎曲和扭矩。


         3、船舶航運(yùn)業(yè)中的應(yīng)用

        （1）船舶結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

        美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室對(duì)光纖光柵傳感技術(shù)非常重視，已開(kāi)發(fā)出用于多點(diǎn)應(yīng)力測(cè)量的光纖光柵傳感技術(shù)，這些結(jié)構(gòu)包括橋梁、大壩、船體甲板、太空船和飛機(jī)。在美國(guó)海軍的資助下，開(kāi)發(fā)有船舶結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，已制成用于美國(guó)海軍艦隊(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的低成本光纖網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)系統(tǒng)基于商用光纖光柵和通信技術(shù)；擬采用光纖光柵傳感技術(shù)和混合空間/波分復(fù)用技術(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量拖拽陣列的三維形狀，這種技術(shù)對(duì)陣列測(cè)量的改善將超過(guò)現(xiàn)有陣列估算技術(shù)一個(gè)數(shù)量級(jí)，從而可增強(qiáng)海軍的戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢(shì)。

        1999年春，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室（Naval Research Laboratory, NRL）光纖靈巧結(jié)構(gòu)部的Michael Todd等人用光纖傳感系統(tǒng)對(duì)KNM Skjold 快速巡邏艇進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)。

        2000,6,25 DavidsonInstruments宣布為美國(guó)海軍開(kāi)發(fā)全光纖艦船傳感系統(tǒng)。美國(guó)海軍正在研究21世紀(jì)水面戰(zhàn)斗艦船。這些艦船包括按DD21設(shè)計(jì)的登陸攻擊驅(qū)逐艦，也包括按CG-21設(shè)計(jì)的巡洋艦。2002,7,10 DavidsonInstruments已經(jīng)宣布完成了該項(xiàng)目，其結(jié)果數(shù)據(jù)被用于艦船的制造和改進(jìn)提供參考。同時(shí)這個(gè)全光纖的傳感系統(tǒng)可以抵抗核武器的沖擊波效應(yīng)。

（2）全光纖艦船傳感系統(tǒng)

       2002,2 美國(guó)海軍研究中心（Navy office of Naval Research）和海上戰(zhàn)爭(zhēng)中心（Naval Surface Warfare Center, Carderock Division）在英國(guó)皇家RV Triton艦船上安裝了光纖傳感系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行艦船結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。SPA安裝了自己的艦船監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和超過(guò)50個(gè)FBG傳感器安裝在艦殼上，同時(shí)存在電傳感器以驗(yàn)證它的精度和性能。這個(gè)測(cè)試系統(tǒng)伴隨RV Triton在海上2個(gè)星期的海上航行測(cè)試，最后數(shù)據(jù)被NSWCCD 和 SPA分析，以指導(dǎo)RV Triton的工程改進(jìn)。同時(shí)美國(guó)也非常有興趣將該傳感系統(tǒng)用在Trimaran（三艦并列）技術(shù)的發(fā)展中。

3）駁船健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

        美國(guó)海上戰(zhàn)爭(zhēng)中心（Naval Surface Warfare Center, Carderock Division）對(duì)美國(guó)海軍的接合標(biāo)準(zhǔn)模駁船系統(tǒng)JMLS進(jìn)行結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)。用4個(gè)通道共16個(gè)FBG傳感器，其中14應(yīng)變傳感器和2個(gè)Flat-Pack傳感器（包含兩個(gè)FBG，可同時(shí)測(cè)量溫度和應(yīng)變），和SPA的艦船健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

        （4）發(fā)射系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

美國(guó)海上戰(zhàn)爭(zhēng)中心Naval Surface Warfare Center，Port Hueneme Division正在開(kāi)發(fā)自己的光纖傳感測(cè)試系統(tǒng)以用于長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)以決定表面艦船垂直發(fā)射系統(tǒng)（VLS）和導(dǎo)彈發(fā)射的操作環(huán)境。因?yàn)閷?dǎo)彈等發(fā)射物的健康狀況會(huì)受到震動(dòng)沖擊，高熱和濕度的影星，必須對(duì)其進(jìn)行定期的檢測(cè)。在這個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中，測(cè)量的物理量包括溫度，應(yīng)變，壓力，加速度和濕度。
 

        （5）艦船F(xiàn)BG傳感器網(wǎng)絡(luò)

                                    
        2002,4挪威國(guó)防研究所的Karianne等人，在兩個(gè)艦船上建立了FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)，50個(gè)傳感器分布在艦船的殼上，測(cè)量它的應(yīng)力分布，最后用有限元的方法分析其受力模型。這樣可以通過(guò)監(jiān)測(cè)和限制殼上的應(yīng)力分布，增加艦船的安全性和使用壽命。其中還包括一個(gè)Micron Optics的可調(diào)諧F-P濾波器和一個(gè)OptoSpeed的超發(fā)光二極管，一個(gè)新封裝設(shè)計(jì)以增加傳感器使用壽命。

        （6）艦船推進(jìn)器光纖傳感系統(tǒng)

        美國(guó)海軍水面戰(zhàn)斗中心Naval Surface Warfare Center,Carderock Division在登陸平臺(tái)船塢LPD17上的艦船推進(jìn)器上完成了光纖傳感系統(tǒng)，其中包使用了FBG傳感器陣列和Flat-Pack，具有高速和高傳感器密度的功能特點(diǎn)，同時(shí)運(yùn)用了SPA的基于高速傳感器查詢(xún)系統(tǒng)的數(shù)字空間波長(zhǎng)復(fù)用器。為了驗(yàn)證這個(gè)推進(jìn)器的設(shè)計(jì)，4個(gè)通道24個(gè)傳感器被用于測(cè)試，21個(gè)應(yīng)變傳感器，3個(gè)溫度傳感器，取樣頻率2KHz。

       （7）艦船結(jié)構(gòu)光纖傳感系統(tǒng)

       1999,10 在美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室的資助下，Systems Planning and Analysis Inc.制作了一個(gè)低成本的，用于監(jiān)測(cè)美國(guó)海軍艦船的結(jié)構(gòu)和理性的光纖網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)系統(tǒng)中，通過(guò)分布在艦船外殼上的傳感點(diǎn)，可以實(shí)時(shí)的計(jì)算和報(bào)告艦船在海洋中作業(yè)時(shí)的受力情況。這個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠?yàn)榕灤脑O(shè)計(jì)的修改和升級(jí)提供指導(dǎo)，同時(shí)對(duì)艦船的完整性有預(yù)警功能。

（8）聲納傳感系統(tǒng)

目前，聲納傳感器已被各國(guó)海軍特別關(guān)注。在實(shí)際應(yīng)用中，拖拽聲納陣列是由一串包含有水聽(tīng)器的模塊組成的，其中水聽(tīng)器可以確定水下噪聲源的位置。這樣每個(gè)聲納模塊相對(duì)聲音噪聲的位置決定了辨別噪聲源的準(zhǔn)確性。電子傳感器雖然已經(jīng)在上面領(lǐng)域被應(yīng)用，但由于其自身存在的問(wèn)題，這樣隨著全光纖拖拽聲納系統(tǒng)的發(fā)展，用一個(gè)光的方法來(lái)精確的測(cè)量陣列上的各個(gè)水聽(tīng)器的位置就顯得非常的必要。Fiber Bragg grating(FBG)傳感器對(duì)于這種需要分布式形貌測(cè)量的應(yīng)用是非常的理想的。SPA已經(jīng)用FBG傳感器開(kāi)發(fā)了一個(gè)相對(duì)成本低的，光拖拽陣列形貌和位置測(cè)量系統(tǒng)，克服了許多當(dāng)前的缺點(diǎn)。用軟硬件相結(jié)合的方法實(shí)時(shí)的分解和顯示了陣列和柔軟結(jié)構(gòu)的變形。同時(shí)這個(gè)系統(tǒng)是基于Micron Optics的FBG解調(diào)系統(tǒng)的。

         4、石化工業(yè)中的應(yīng)用

         工廠的電磁環(huán)境和周?chē)諝庵袔в械闹T如重金屬、化合物、燃化油蒸汽等物質(zhì)，不利于常規(guī)電式傳感器和儀器的工作。由于獨(dú)特的電絕緣性賦予光纖傳感器的抗電磁干擾能力（EMI），和在易燃易爆場(chǎng)合的本征安全性，以及快速響應(yīng)和對(duì)腐蝕液體的抗拒性，光纖傳感器適用于工廠的工作環(huán)境。尤其在屬于易燃易爆領(lǐng)域的石化工業(yè)，光纖光柵傳感器因其本質(zhì)安全性非常適合在石油化工領(lǐng)域中的應(yīng)用。

        由于光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn),因此,可以替代傳統(tǒng)的電傳感器廣泛應(yīng)用在海洋石油平臺(tái)上及油田、煤田中探測(cè)儲(chǔ)量和地層情況。內(nèi)置于細(xì)鋼管中的光纖光柵傳感器可用作海上鉆探平臺(tái)的管道或管子溫度及延展測(cè)量的光纜。采用FBG傳感系統(tǒng)可以對(duì)長(zhǎng)距離油氣管道實(shí)行分布式實(shí)時(shí)的在線監(jiān)測(cè)。Sp irin等人設(shè)計(jì)了一種用于漏油監(jiān)測(cè)的FBG傳感器。他們將FBG封裝在聚合物丁基合成橡膠中,這種聚合物具有良好的遇油膨脹特性,當(dāng)管道或儲(chǔ)油罐漏油后,傳感器被石油浸泡,聚合物膨脹拉伸光纖光柵,使光柵中心波長(zhǎng)漂移,通過(guò)監(jiān)測(cè)這個(gè)漂移達(dá)到報(bào)警目的。在室溫下,該系統(tǒng)在20min內(nèi)波長(zhǎng)漂移量大于2 nm,大大超過(guò)了環(huán)鏡溫度變化可能引入的波長(zhǎng)漂移(0.5nm)。

        除此之外，還有一種利用溫度變化監(jiān)測(cè)管道泄漏的方法。

        管道泄露監(jiān)測(cè)原理圖：

        5、電力工業(yè)中的應(yīng)用

        電力工業(yè)中的設(shè)備大多處在強(qiáng)電磁場(chǎng)中，一般電器類(lèi)傳感器無(wú)法使用。高壓開(kāi)關(guān)的在線監(jiān)測(cè)，高壓變壓器繞組、發(fā)電機(jī)定子等地方的溫度和位移等參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)都要求絕緣性能好，體積小。光纖光柵具有的抗電磁干擾和它的安全性能恰恰能滿(mǎn)足在這種環(huán)境條件下使用。

        在強(qiáng)電磁環(huán)境中，關(guān)鍵基礎(chǔ)用電設(shè)備的安全運(yùn)行是企業(yè)生產(chǎn)的必要保障，也是整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基本保證。電氣設(shè)備產(chǎn)生故障的大部分原因是設(shè)備過(guò)熱引起的，主要可以分為外部熱故障和內(nèi)部熱故障。電氣設(shè)備的外部熱故障主要指裸露接頭由于壓接不良等原因，在大電流作用下，接頭溫度升高，接觸點(diǎn)氧化引起接觸電阻增大，惡性循環(huán)造成隱患。此類(lèi)故障占外部熱故障的90%以上。統(tǒng)計(jì)近幾年來(lái)檢測(cè)到的外部熱故障的幾千個(gè)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)線夾和刀閘觸頭的熱故障占整個(gè)外部熱故障的77%，它們的平均溫升約在30度左右，其它外部接頭的平均溫升在20-25度之間。

        根據(jù)對(duì)電力事故分析，電纜故障引起的火災(zāi)導(dǎo)致大面積電纜燒損，造成被迫停機(jī)，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法恢復(fù)生產(chǎn)，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。通過(guò)事故的分析，引起電纜溝內(nèi)火災(zāi)發(fā)生的直接原因是電纜中間頭制作質(zhì)量不良、壓接頭不緊、接觸電阻過(guò)大，長(zhǎng)期運(yùn)行所造成的電纜頭過(guò)熱燒穿絕緣，最后導(dǎo)致電纜溝內(nèi)火災(zāi)的發(fā)生。

        從電纜頭或變電設(shè)備的過(guò)熱到事故的發(fā)生，其發(fā)展速度比較緩慢、時(shí)間較長(zhǎng)，通過(guò)電纜/設(shè)備溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完全可以防止、杜絕此類(lèi)事故的發(fā)生。

        溫度監(jiān)測(cè)的主要目標(biāo)設(shè)備:

        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，電壓變化可使壓電陶瓷(PZT)產(chǎn)生形變，而利用貼于PZT上的光纖光柵的波長(zhǎng)漂移，很容易得知其形變，進(jìn)而測(cè)知電流強(qiáng)度。這是一種較為廉價(jià)的方法，并且不需要復(fù)雜的電隔離。另外，由大雪等對(duì)電線施加的過(guò)量的壓力可能會(huì)引發(fā)危險(xiǎn)事件，因此在線檢測(cè)電線壓力非常重要，特別是對(duì)于那些不易檢測(cè)到的山區(qū)電線。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)力變化即可被粘于金屬板上的光纖光柵傳感器探測(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，在這種情況下，相鄰光柵的間距較大，故不需快速調(diào)制和解調(diào)。

       6、核工業(yè)中的應(yīng)用

        核工業(yè)是個(gè)高輻射的地方,核泄漏對(duì)人類(lèi)是一個(gè)極大的威脅, 貝爾格利核電站泄漏的影響至今還沒(méi)有消除,因此對(duì)于核電站的安全檢測(cè)是非常重要的。由于核裝置的老化,需要更多的維護(hù)和修理,最終必須被拆除,所有這些都不能在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)見(jiàn),因此需要更多的傳感器以便遙控設(shè)備,處理不確定情況。同時(shí)核廢料的管理也變得越來(lái)越重要,需要有監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)監(jiān)視核廢料站的狀況,對(duì)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期穩(wěn)定的要求也是前所未有的。

        比利時(shí)核研究中心對(duì)光纖光柵傳感器用于核工業(yè)的可行性進(jìn)行了研究,他們實(shí)驗(yàn)測(cè)量了各種商用光纖光柵對(duì)C輻射的敏感性。他們的研究結(jié)果是:光纖光柵的溫度敏感系數(shù)在3 % 的精度內(nèi)不受C輻射影響;布喇格反射波的幅度和寬度在C輻射下沒(méi)有變化;布喇格波長(zhǎng)在C輻射下變化不大于25 pm ,并且C輻射劑量達(dá)到0.1MGy 時(shí),波長(zhǎng)變化飽和。他們認(rèn)為: 光纖光柵溫度傳感器可能在C輻射水平為1MGy 的環(huán)境中保持所需要的性能,并且可以通過(guò)優(yōu)化光纖光柵的參數(shù)減小C輻射敏感性。他們還研究了光纖光柵對(duì)中子輻射的敏感性,發(fā)現(xiàn)光纖載氫不僅可以增強(qiáng)光敏性,也會(huì)增加對(duì)離化輻射的敏感性。

        日本核能研究院1999年4月～2000年3月的年度報(bào)告中提到, 他們正在日本材料測(cè)試反應(yīng)堆,通過(guò)輻射環(huán)境測(cè)試確保光纖光柵用于核電廠設(shè)備和管道的傳感, 并能在幾乎整個(gè)反應(yīng)堆壽命期間忍耐核輻射。

        核電站的反應(yīng)堆建筑或外殼結(jié)構(gòu)是很厚的鋼或鋼筋混凝土地板和墻, 是設(shè)計(jì)用于防止核泄漏的最后防護(hù)屏障, 它們所承受的壓力對(duì)于900MW 核電站的單層殼體是12×105 Pa 對(duì)于1300MW 核電站的雙層殼體是9×105 Pa。使用靜態(tài)分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)進(jìn)行遙測(cè)將極大地增強(qiáng)可靠性、安全性、并減少維護(hù)費(fèi)用。1995 年, 法國(guó)的CEA 2L ET I、EDF 和F ram atom e就開(kāi)始了一個(gè)聯(lián)合計(jì)劃發(fā)展布喇格光柵變形測(cè)量?jī)x用于核電廠的混凝土測(cè)量。他們將光纖光柵傳感器安在核殼體表面或埋入核殼體中, 對(duì)高性能預(yù)應(yīng)力混凝土核殼大墻進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

        在增壓水反應(yīng)堆核電站中, 水被用來(lái)吸收熱但不沸騰, 因?yàn)樗槐３衷诟邏褐? 在熱—機(jī)械循環(huán)中管道和接頭會(huì)發(fā)生老化, 因此早期泄漏探測(cè)是一個(gè)重要的課題。核反應(yīng)堆水管的泄漏和破裂是非常危險(xiǎn)的,極端情況下會(huì)使核反應(yīng)堆熔化造成和泄漏。1996 年初, 由英國(guó)B ICC Cable Ltd牽頭的一個(gè)聯(lián)盟開(kāi)展了一個(gè)為期3 年的B rite 計(jì)劃, 旨在開(kāi)發(fā)一種具有完善溫度補(bǔ)償?shù)姆植际届o態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng), 此系統(tǒng)能復(fù)用多個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器對(duì)高溫部件(～550 ℃) 進(jìn)行實(shí)時(shí)壽命預(yù)測(cè)。

        高輻射的核廢料必須儲(chǔ)藏在地下很長(zhǎng)時(shí)間。德國(guó)將研究用布喇格光柵傳感器監(jiān)測(cè)地下核廢料堆中的應(yīng)變和溫度。

        7、醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

        醫(yī)學(xué)中用的傳感器多為電子傳感器，它對(duì)許多內(nèi)科手術(shù)是不適用的，尤其是在高微波(輻射)頻率、超聲波場(chǎng)或激光輻射的過(guò)高熱治療中。由于電子傳感器中的金屬導(dǎo)體很容易受電流、電壓等電磁場(chǎng)的干擾而引起傳感頭或腫瘤周?chē)臒嵝?yīng)，這樣會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤讀數(shù)。近年來(lái)，使用高頻電流、微波輻射和激光進(jìn)行熱療以代替外科手術(shù)越來(lái)越受到醫(yī)學(xué)界的關(guān)注，而且傳感器的小尺寸在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中是非常重要的，因?yàn)樾〉某叽鐚?duì)人體組織的傷害較小，而光纖光柵傳感器正是目前為止能夠做到的最小的傳感器。它能夠通過(guò)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。到目前為止，光纖光柵傳感系統(tǒng)已經(jīng)成功地檢測(cè)了病變組織的溫度和超聲波場(chǎng)，在30℃～60℃的范圍內(nèi)，獲得了分辨率為0.1℃和精確度為±0.2℃的測(cè)量結(jié)果，而超聲場(chǎng)的測(cè)量分辨率為10-3atm/Hz1/2，這為研究病變組織提供了有用的信息。光纖光柵傳感器還可用來(lái)測(cè)量心臟的效率。在這種方法中，醫(yī)生把嵌有光纖光柵的熱稀釋導(dǎo)管插入病人心臟的右心房，并注射人一種冷溶液，可測(cè)量肺動(dòng)脈血液的溫度，結(jié)合脈功率就可知道心臟的血液輸出量，這對(duì)于心臟監(jiān)測(cè)是非常重要的。

        巴西的W ehrle 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(guò)胸腔的變化, 測(cè)量呼吸過(guò)程的頻譜。這種測(cè)量可用在電致人工呼吸中,這時(shí)病人胸部裝有高壓電極, 通過(guò)高壓放電刺激隔膜神經(jīng)幫助病人呼吸。用光纖光柵傳感器控制高壓放電的觸發(fā), 監(jiān)視病人呼吸情況, 有利于改善電致人工呼吸的效果。如果用常規(guī)的電類(lèi)傳感器會(huì)受到高壓放電的干擾。

        新加坡總醫(yī)院將南洋理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程研究中心研制的一種光纖光柵壓力傳感器用于外科校正, 以便幫助醫(yī)生監(jiān)視患者的健康。埋有光纖光柵陣列的腳壓傳感墊配以繪圖設(shè)備可以繪出外科校正壓力的空間圖形, 能用于監(jiān)視患者站立時(shí)的腳底壓力分布。

        8、其它應(yīng)用

        除上述應(yīng)用外, 光纖光柵傳感器還在其他領(lǐng)域得到了應(yīng)用, 如:

        (1) 利用在晶體材料中, 不同的溫度會(huì)引起熒光延遲時(shí)間的不同這一原理制作的分點(diǎn)探測(cè)傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)與醫(yī)藥;

        (2)光纖層析成像技術(shù), 根據(jù)不同的原理和應(yīng)用場(chǎng)合, 可分為光相干層析成像分析(OCT)和光過(guò)程層析成像分析技術(shù)(OPT);

        (3)光纖陀螺及慣性導(dǎo)航系統(tǒng),美國(guó)Honeywell 公司為美國(guó)軍方制造的用于直升機(jī)的三軸慣導(dǎo)系統(tǒng)直徑僅為86mm,日本Mitsubishi Precision 公司和空間及宇航所為日本M-V火箭系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造了慣導(dǎo)系統(tǒng)。

       總之, 光纖光柵傳感器的應(yīng)用是一個(gè)方興未艾的領(lǐng)域, 有著非常廣闊的發(fā)展前景。

        四、現(xiàn)狀與展望

        光纖光柵傳感技術(shù)之所以如此受到重視并獲得極為迅速發(fā)展的原因是：微型計(jì)算機(jī)的普及、信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展，形成了推動(dòng)獲得信息的傳感器技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力；廣闊的市場(chǎng)與社會(huì)需求是傳感器技術(shù)發(fā)展的又一強(qiáng)勁推動(dòng)力。

        我國(guó)對(duì)光纖光柵傳感器的研究相對(duì)晚一些, 目前我國(guó)的光纖傳感器的產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模推廣應(yīng)用方面還遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足國(guó)名經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。因此，近期的光纖傳感技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化特點(diǎn)是以成熟的光纖通信技術(shù)向光纖傳感技術(shù)轉(zhuǎn)化為重點(diǎn)，目前對(duì)光纖光柵傳感器的研究方向主要有三個(gè)方面：

        1、對(duì)傳感器本身及進(jìn)行橫向應(yīng)變感測(cè)和高靈敏度、高分辨率、且能同時(shí)感測(cè)應(yīng)變和溫度變化的傳感器研究；

        2、對(duì)光柵反射信號(hào)或透射信號(hào)分析和測(cè)試系統(tǒng)的研究，目標(biāo)是開(kāi)發(fā)低成本、小型化、可靠且靈敏的探測(cè)技術(shù)；

        3、對(duì)光纖光柵傳感器的實(shí)際應(yīng)用研究，包括封裝技術(shù)、溫度補(bǔ)償技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

        4，開(kāi)展各應(yīng)用領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)化成套傳感技術(shù)的研發(fā)，如航空航天、航海、土木工程、醫(yī)學(xué)和生物、電力工業(yè)、核工業(yè)及化學(xué)和環(huán)境等。

        目前限制光纖光柵傳感器應(yīng)用的最主要障礙是傳感信號(hào)的解調(diào), 正在研究的解調(diào)方法很多, 但能夠?qū)嶋H應(yīng)用的解調(diào)產(chǎn)品并不多, 且價(jià)格較高。其次, 光纖光柵傳感器應(yīng)用中的其他問(wèn)題也非常重要, 如:

       (1)由于光源帶寬有限, 而應(yīng)用中一般要求光柵的反射譜不能重疊, 因此可復(fù)用光柵的數(shù)目受到限制;

        (2)如何實(shí)現(xiàn)在復(fù)合材料中同時(shí)測(cè)量多軸向的應(yīng)變,以再現(xiàn)被測(cè)體的多軸向應(yīng)變形貌;

        (3) 如何實(shí)現(xiàn)大范圍、高精度、快速實(shí)時(shí)測(cè)量;

        (4)如何正確地分辨光柵波長(zhǎng)變化是由溫度變化引起的還是由應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變引起的等。

        有效地解決上述問(wèn)題對(duì)于實(shí)現(xiàn)廉價(jià)、穩(wěn)定、高分辨率、大測(cè)量范圍、多光柵復(fù)用的傳感系統(tǒng)具有重要意義, 這些都有待發(fā)展。美國(guó)、德國(guó)、加拿大、英國(guó)等都在致力于新型光纖光柵傳感器及解調(diào)系統(tǒng)的研究。