光纖光柵傳感器的應(yīng)用

        一、光纖光柵傳感器的優(yōu)勢

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

       (1) 傳感頭結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、外形可變, 適合埋入大型結(jié)構(gòu)中, 可測量結(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, 適合在惡劣環(huán)境中工作;
       (4) 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)用系統(tǒng)相結(jié)合, 實現(xiàn)分布式傳感;
       (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,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。
光纖Bragg光柵傳感器無疑是一種優(yōu)秀的光纖傳感器，尤其在測量應(yīng)力和應(yīng)變的場合，具有其它一些傳感器無法比擬的優(yōu)點，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)測材料和結(jié)構(gòu)的載荷，探測其損傷的傳感器。

       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)參量的測量對于橋梁、礦井、隧道、大壩、建筑物等的維護(hù)和健康狀況監(jiān)測是非常重要的.通過測量上述結(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,對結(jié)構(gòu)同時進(jìn)行健康檢測、沖擊檢測、形狀控制和振動阻尼檢測等,以監(jiān)視結(jié)構(gòu)的缺陷情況.。 另外,多個光纖光柵傳感器可以串接成一個傳感網(wǎng)絡(luò),對結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)分布式檢測,可以用計算機(jī)對傳感信號進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

        （1）在橋梁安全監(jiān)測中的應(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。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,因此對這些構(gòu)件的受力狀況監(jiān)測及在此基礎(chǔ)上的安全分析評估具有重大意義。

        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)行測量的橋梁之一(1993 年), 16 個光纖光柵傳感器貼在預(yù)應(yīng)力混凝土支撐的鋼增強桿和炭纖復(fù)合材料筋上,對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期監(jiān)測, 而這在以前被認(rèn)為是不可能。德國德累斯頓附近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, 測量荷載下的基本線性響應(yīng), 并且用常規(guī)的應(yīng)變測量儀器作了對比試驗, 證實了光纖光柵傳感器的應(yīng)用可行性。瑞士應(yīng)力分析實驗室和美國海軍研究實驗室, 在瑞士洛桑附近的V aux 箱形梁高架橋的建造過程中, 使用了32個光纖光柵傳感器對箱形梁被推拉時的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變進(jìn)行了監(jiān)測, 32個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項目中，采用了上海紫珊光電的光纖光柵傳感器，用于檢測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：

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

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

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

        1989年, 美國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, 并描述了實際應(yīng)用中這一研究領(lǐng)域的一些基本設(shè)想。此后, 美國、英國、加拿大、日本等國家的大學(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)澆注時所遇到的一個非常棘手的問題是: 如何才能在混凝土澆搗時避免破壞傳感器及光纜。光纖Bragg光柵通常寫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, 在將其作為傳感器測量建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)變時,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)變計埋設(shè)于混凝土中對北京中關(guān)村某標(biāo)志性建筑進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)變測量。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)變計具有精度高（一般為1με，如果是小量程的應(yīng)變測量，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，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)在混凝土中對支柱鋼梁進(jìn)行施工過程監(jiān)測。

        （3）在水位遙測中的應(yīng)用

        在光纖光柵技術(shù)平臺上研制出的高精度光學(xué)水位傳感器專門用于江河、湖泊以及排污系統(tǒng)水位的測量。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的光信號。當(dāng)FBG與彈性膜片或其它設(shè)備連接在一起時，水位的變化會拉伸或壓縮FBG。而且，反射波長會隨著折射率周期性變化而發(fā)生變化。那么，根據(jù)反射波長的偏移就可以監(jiān)測出水位的變化。

        （4）在公路健康檢測中的應(yīng)用

        公路健康監(jiān)測必要性：

        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，可以說交通的好壞可以直接決定一個城市的發(fā)展命運。每年國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。，而破壞一般都是因為汽車超載，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。所以在公路施工過程以及使用過程中進(jìn)行健康檢測是非常有必要的?，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，在施工過程中埋入溫度以及應(yīng)變傳感器可以及時得到溫度以及應(yīng)變的變化情況，對公路質(zhì)量進(jìn)行實時監(jiān)控。詳細(xì)了解施工材料的特點以及影響施工質(zhì)量的因素。

        傳感器設(shè)計方案：

　　由于公路施工過程中條件比較惡劣，主要問題有以下幾點：
　　1. 在瀝青層鋪設(shè)過程中溫度可達(dá)160℃。
　　2. 在施工過程中，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，其強度變化明顯。傳感器需要能真實反映瀝青層應(yīng)變。所以傳感器在埋入過程中的成活率是最關(guān)鍵的問題。
  
        首先為了解決高溫的問題，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，能真實反映瀝青層撓度，設(shè)計傳感器外形的時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)測點埋入傳感器，組建公路監(jiān)測系統(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)測公路健康狀況，還可實現(xiàn)車流量統(tǒng)計，對公路上超速超載情況進(jìn)行監(jiān)測等功能。

        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，美國國家宇航局（NASA）創(chuàng)始了一項光纖機(jī)敏結(jié)構(gòu)與蒙皮計劃，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，對于快速航運或飛行具有重要意義，因此復(fù)合材料越來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，實際上飛機(jī)的復(fù)合材料中存在兩個方向的應(yīng)變，嵌人材料中的光纖光柵傳感器是實現(xiàn)多點多軸向應(yīng)變和 溫度測量的理想智能元件。

         美國國家航空和宇宙航行局對光纖光柵傳感器的應(yīng)用非常重視, 他們在航天飛機(jī)X-33上安裝了測量應(yīng)變和溫度的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò), 對航天飛機(jī)進(jìn)行實時的健康監(jiān)測。X-33是一架原型機(jī), 設(shè)計用來作“國際空間站”的往返飛行。

        BlueRoadResearch 聯(lián)合美國海軍空戰(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飛機(jī)的粘和接頭完好性進(jìn)行了評估。以前這種評估所常用的方法, 如超聲波和X 射線, 非常耗時而且信號難以處理。美國海軍研究實驗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, 測量縱向應(yīng)變、彎曲和扭矩。


         3、船舶航運業(yè)中的應(yīng)用

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

        美國海軍實驗室對光纖光柵傳感技術(shù)非常重視，已開發(fā)出用于多點應(yīng)力測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)。在美國海軍的資助下，開發(fā)有船舶結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，已制成用于美國海軍艦隊結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的低成本光纖網(wǎng)絡(luò)，這個系統(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)實時測量拖拽陣列的三維形狀，這種技術(shù)對陣列測量的改善將超過現(xiàn)有陣列估算技術(shù)一個數(shù)量級，從而可增強海軍的戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢。

        1999年春，美國海軍研究實驗室（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KNM Skjold 快速巡邏艇進(jìn)行智能監(jiān)測。

        2000,6,25 DavidsonInstruments宣布為美國海軍開發(fā)全光纖艦船傳感系統(tǒng)。美國海軍正在研究21世紀(jì)水面戰(zhàn)斗艦船。這些艦船包括按DD21設(shè)計的登陸攻擊驅(qū)逐艦，也包括按CG-21設(shè)計的巡洋艦。2002,7,10 DavidsonInstruments已經(jīng)宣布完成了該項目，其結(jié)果數(shù)據(jù)被用于艦船的制造和改進(jìn)提供參考。同時這個全光纖的傳感系統(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 美國海軍研究中心（Navy office of Naval Research）和海上戰(zhàn)爭中心（Naval Surface Warfare Center, Carderock Division）在英國皇家RV Triton艦船上安裝了光纖傳感系統(tǒng)對其進(jìn)行艦船結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。SPA安裝了自己的艦船監(jiān)測系統(tǒng)和超過50個FBG傳感器安裝在艦殼上，同時存在電傳感器以驗證它的精度和性能。這個測試系統(tǒng)伴隨RV Triton在海上2個星期的海上航行測試，最后數(shù)據(jù)被NSWCCD 和 SPA分析，以指導(dǎo)RV Triton的工程改進(jìn)。同時美國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)測系統(tǒng)

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

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

美國海上戰(zhàn)爭中心Naval Surface Warfare Center，Port Hueneme Division正在開發(fā)自己的光纖傳感測試系統(tǒng)以用于長期的監(jiān)測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。因為導(dǎo)彈等發(fā)射物的健康狀況會受到震動沖擊，高熱和濕度的影星，必須對其進(jìn)行定期的檢測。在這個測試系統(tǒng)中，測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挪威國防研究所的Karianne等人，在兩個艦船上建立了FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)，50個傳感器分布在艦船的殼上，測量它的應(yīng)力分布，最后用有限元的方法分析其受力模型。這樣可以通過監(jiān)測和限制殼上的應(yīng)力分布，增加艦船的安全性和使用壽命。其中還包括一個Micron Optics的可調(diào)諧F-P濾波器和一個OptoSpeed的超發(fā)光二極管，一個新封裝設(shè)計以增加傳感器使用壽命。

        （6）艦船推進(jìn)器光纖傳感系統(tǒng)

        美國海軍水面戰(zhàn)斗中心Naval Surface Warfare Center,Carderock Division在登陸平臺船塢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，同時運用了SPA的基于高速傳感器查詢系統(tǒng)的數(shù)字空間波長復(fù)用器。為了驗證這個推進(jìn)器的設(shè)計，4個通道24個傳感器被用于測試，21個應(yīng)變傳感器，3個溫度傳感器，取樣頻率2KHz。

       （7）艦船結(jié)構(gòu)光纖傳感系統(tǒng)

       1999,10 在美國海軍實驗室的資助下，Systems Planning and Analysis Inc.制作了一個低成本的，用于監(jiān)測美國海軍艦船的結(jié)構(gòu)和理性的光纖網(wǎng)絡(luò)。在這個系統(tǒng)中，通過分布在艦船外殼上的傳感點，可以實時的計算和報告艦船在海洋中作業(yè)時的受力情況。這個遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)能夠為艦船的設(shè)計的修改和升級提供指導(dǎo)，同時對艦船的完整性有預(yù)警功能。

（8）聲納傳感系統(tǒng)

目前，聲納傳感器已被各國海軍特別關(guān)注。在實際應(yīng)用中，拖拽聲納陣列是由一串包含有水聽器的模塊組成的，其中水聽器可以確定水下噪聲源的位置。這樣每個聲納模塊相對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題，這樣隨著全光纖拖拽聲納系統(tǒng)的發(fā)展，用一個光的方法來精確的測量陣列上的各個水聽器的位置就顯得非常的必要。Fiber Bragg grating(FBG)傳感器對于這種需要分布式形貌測量的應(yīng)用是非常的理想的。SPA已經(jīng)用FBG傳感器開發(fā)了一個相對成本低的，光拖拽陣列形貌和位置測量系統(tǒng)，克服了許多當(dāng)前的缺點。用軟硬件相結(jié)合的方法實時的分解和顯示了陣列和柔軟結(jié)構(gòu)的變形。同時這個系統(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)境和周圍空氣中帶有的諸如重金屬、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），和在易燃易爆場合的本征安全性，以及快速響應(yīng)和對腐蝕液體的抗拒性，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,因此,可以替代傳統(tǒng)的電傳感器廣泛應(yīng)用在海洋石油平臺上及油田、煤田中探測儲量和地層情況。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的管道或管子溫度及延展測量的光纜。采用FBG傳感系統(tǒng)可以對長距離油氣管道實行分布式實時的在線監(jiān)測。Sp irin等人設(shè)計了一種用于漏油監(jiān)測的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,使光柵中心波長漂移,通過監(jiān)測這個漂移達(dá)到報警目的。在室溫下,該系統(tǒng)在20min內(nèi)波長漂移量大于2 nm,大大超過了環(huán)鏡溫度變化可能引入的波長漂移(0.5nm)。

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

        管道泄露監(jiān)測原理圖：

        5、電力工業(yè)中的應(yīng)用

        電力工業(yè)中的設(shè)備大多處在強電磁場中，一般電器類傳感器無法使用。高壓開關(guān)的在線監(jiān)測，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)的實時檢測都要求絕緣性能好，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足在這種環(huán)境條件下使用。

        在強電磁環(huán)境中，關(guān)鍵基礎(chǔ)用電設(shè)備的安全運行是企業(yè)生產(chǎn)的必要保障，也是整個國民經(jīng)濟(jì)正常運轉(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，接觸點氧化引起接觸電阻增大，惡性循環(huán)造成隱患。此類故障占外部熱故障的90%以上。統(tǒng)計近幾年來檢測到的外部熱故障的幾千個數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)線夾和刀閘觸頭的熱故障占整個外部熱故障的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)，短時間內(nèi)無法恢復(fù)生產(chǎn)，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。通過事故的分析，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、接觸電阻過大，長期運行所造成的電纜頭過熱燒穿絕緣，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)備的過熱到事故的發(fā)生，其發(fā)展速度比較緩慢、時間較長，通過電纜/設(shè)備溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)完全可以防止、杜絕此類事故的發(fā)生。

        溫度監(jiān)測的主要目標(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漂移，很容易得知其形變，進(jìn)而測知電流強度。這是一種較為廉價的方法，并且不需要復(fù)雜的電隔離。另外，由大雪等對電線施加的過量的壓力可能會引發(fā)危險事件，因此在線檢測電線壓力非常重要，特別是對于那些不易檢測到的山區(qū)電線。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)力變化即可被粘于金屬板上的光纖光柵傳感器探測到。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，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)是個高輻射的地方,核泄漏對人類是一個極大的威脅, 貝爾格利核電站泄漏的影響至今還沒有消除,因此對于核電站的安全檢測是非常重要的。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)計時預(yù)見,因此需要更多的傳感器以便遙控設(shè)備,處理不確定情況。同時核廢料的管理也變得越來越重要,需要有監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)視核廢料站的狀況,對監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)長期穩(wěn)定的要求也是前所未有的。

        比利時核研究中心對光纖光柵傳感器用于核工業(yè)的可行性進(jìn)行了研究,他們實驗測量了各種商用光纖光柵對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輻射下沒有變化;布喇格波長在C輻射下變化不大于25 pm ,并且C輻射劑量達(dá)到0.1MGy 時,波長變化飽和。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中子輻射的敏感性,發(fā)現(xiàn)光纖載氫不僅可以增強光敏性,也會增加對離化輻射的敏感性。

        日本核能研究院1999年4月～2000年3月的年度報告中提到, 他們正在日本材料測試反應(yīng)堆,通過輻射環(huán)境測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)計用于防止核泄漏的最后防護(hù)屏障, 它們所承受的壓力對于900MW 核電站的單層殼體是12×105 Pa 對于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)行遙測將極大地增強可靠性、安全性、并減少維護(hù)費用。1995 年, 法國的CEA 2L ET I、EDF 和F ram atom e就開始了一個聯(lián)合計劃發(fā)展布喇格光柵變形測量儀用于核電廠的混凝土測量。他們將光纖光柵傳感器安在核殼體表面或埋入核殼體中, 對高性能預(yù)應(yīng)力混凝土核殼大墻進(jìn)行監(jiān)測。

        在增壓水反應(yīng)堆核電站中, 水被用來吸收熱但不沸騰, 因為水被保持在高壓中, 在熱—機(jī)械循環(huán)中管道和接頭會發(fā)生老化, 因此早期泄漏探測是一個重要的課題。核反應(yīng)堆水管的泄漏和破裂是非常危險的,極端情況下會使核反應(yīng)堆熔化造成和泄漏。1996 年初, 由英國B ICC Cable Ltd牽頭的一個聯(lián)盟開展了一個為期3 年的B rite 計劃, 旨在開發(fā)一種具有完善溫度補償?shù)姆植际届o態(tài)監(jiān)測系統(tǒng), 此系統(tǒng)能復(fù)用多個光纖光柵應(yīng)變傳感器對高溫部件(～550 ℃) 進(jìn)行實時壽命預(yù)測。

        高輻射的核廢料必須儲藏在地下很長時間。德國將研究用布喇格光柵傳感器監(jiān)測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、超聲波場或激光輻射的過高熱治療中。由于電子傳感器中的金屬導(dǎo)體很容易受電流、電壓等電磁場的干擾而引起傳感頭或腫瘤周圍的熱效應(yīng)，這樣會導(dǎo)致錯誤讀數(shù)。近年來，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，因為小的尺寸對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。到目前為止，光纖光柵傳感系統(tǒng)已經(jīng)成功地檢測了病變組織的溫度和超聲波場，在30℃～60℃的范圍內(nèi)，獲得了分辨率為0.1℃和精確度為±0.2℃的測量結(jié)果，而超聲場的測量分辨率為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測量心臟的效率。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，可測量肺動脈血液的溫度，結(jié)合脈功率就可知道心臟的血液輸出量，這對于心臟監(jiān)測是非常重要的。

        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, 通過胸腔的變化, 測量呼吸過程的頻譜。這種測量可用在電致人工呼吸中,這時病人胸部裝有高壓電極, 通過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)的電類傳感器會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, 不同的溫度會引起熒光延遲時間的不同這一原理制作的分點探測傳感器廣泛應(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)用場合, 可分為光相干層析成像分析(OCT)和光過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Honeywell 公司為美國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：微型計算機(jī)的普及、信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展，形成了推動獲得信息的傳感器技術(shù)發(fā)展的動力；廣闊的市場與社會需求是傳感器技術(shù)發(fā)展的又一強勁推動力。

        我國對光纖光柵傳感器的研究相對晚一些, 目前我國的光纖傳感器的產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模推廣應(yīng)用方面還遠(yuǎn)不能滿足國名經(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，目前對光纖光柵傳感器的研究方向主要有三個方面：

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

        2、對光柵反射信號或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、可靠且靈敏的探測技術(shù)；

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

        4，開展各應(yīng)用領(lǐng)域的專業(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, 且價格較高。其次, 光纖光柵傳感器應(yīng)用中的其他問題也非常重要, 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)如何實現(xiàn)在復(fù)合材料中同時測量多軸向的應(yīng)變,以再現(xiàn)被測體的多軸向應(yīng)變形貌;

        (3) 如何實現(xiàn)大范圍、高精度、快速實時測量;

        (4)如何正確地分辨光柵波長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。

        有效地解決上述問題對于實現(xiàn)廉價、穩(wěn)定、高分辨率、大測量范圍、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、德國、加拿大、英國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。