光纤光栅传感技术应用研究
时间：2020-12-10 00:02:50 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
［提要］ 光纤光栅传感技术是近年来发展起来的一门新技术。本文在分析光纤光栅传感技术优势的基础上，综述光纤光栅传感技术的应用，讨论光纤光栅传感器在应用研究过程中需要解决的关键问题，并对其应用前景做了展望。
关键词：光纤光栅；传感技术；应用研究
中图分类号：F49 文献标识码：A
收录日期：2012年6月8日
光纤光栅是近年来发展极为迅速的一种新型光纤无源器件。由于光纤光栅具有高灵敏度、低损耗、易制作、性能稳定可靠、易与系统及其他光纤器件连接等优点，因而在光通信、光纤传感等领域得到了广泛应用。光纤光栅是利用光纤材料的光敏特性，在光纤的纤芯上产生空间周期性或非周期性折射率变化而制成的。光纤光栅传感器是近几年发展最快、最先进的光纤无源器件之一，光纤光栅传感器产业已被国内外公认为是最具有发展前途的高新技术产业之一，它以技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。
一、光纤光栅传感的优势
作为光纤传感器的一种，近年来发展十分迅速，它之所以有这样迅猛的发展，是因为它与传统的电传感器等相比有其独特的优点。
1、具有非传导性，对被测介质影响小，又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点，适合在煤气附近、电站、核设施、矿井下、油田以及油罐周围等恶劣、高危险环境中工作。抗干扰能力强，这一方面是因为普通光纤不会影响光波的频率特性（忽略光纤的非线性效应）；另一方面光纤光栅传感系统从本质上排除了各种光强起伏引起的干扰。
2、光纤轻巧柔软，可以在一根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复用和时分复用技术相结合，实现多点、分布式传感。便于构成各种形式的光纤传感网络，尤其是采用波分复用技术构成分立式或分布式光纤光栅传感器阵列，进行大面积的、同时的多点测量。这对于大型土木结构的健康检测等方面有着重要的应用。因此，人们十分重视该领域的研究，并且它已成为传感领域的重要组成部分。
3、与光纤之间存在天然的兼容性，易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高。
4、传感探头结构简单、体积小、重量轻、外形柔软可变，适于各种场合，尤其是智能材料和结构。便于埋入复合材料构件及大型建筑物内部，对结构的完整性、安全性、载荷疲劳、损伤程度等状态进行连续实时监测。稳定性高，重复性好。测量信息是波长编码的，所以光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接器耦合损耗、弯曲损耗以及光波偏振态的变化等因素的影响，有较强的抗干扰能力。
5、测量信息是波长编码的，所以光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接及耦合损耗以及光波偏振态的变化等因素的影响，有较强的抗干扰能力。
6、高灵敏度、高分辨率。该类传感器的信息载体是光，无论以波长还是相位为检测对象都具有非常高的传感精度。即便检测其振幅或强度，若有效的运用具有高分辨率的光电仪器，也可对某物理量的检测具有非常高的精度。
正是由于具有这么多的优点，近年来光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康监测，以及能源化工等领域得到了广泛的应用。
二、光纤光栅传感技术的应用
1、在电力系统的应用。光纤光栅传感器在电力上的应用，主要是通过对温度的测量实现对电力设备的实时安全检测。光纤光栅传感器检测的电力设备包括高压开关柜隔离触头断路器、线夹、隔离刀闸、互感器、变压器、电抗器、阻波器等。对这些电力设备进行温度的在线监测，诊断过热的原因，再经过处理分析故障，从而实现真正意义的在线安全监测。
光纤光栅传感器具有良好的抗电磁干扰性，是电力工业中有关参数监测的理想传感元件。在电力工业中，电流转换器可把电流变化转化为电压变化，电压变化使陶瓷（PZT）产生变形，贴于PZT上的光纤光栅产生波长漂移，从而得知电流强度。光纤光栅传感器在长距离电力输电线载荷以及电力变压器绕组的分布式实时监测方面具有独特的优势。光纤光栅传感器可测电线的载重量，其原理为把载重量的变化转化为紧贴电线的金属板所受应力的变化，这一应力变化被黏于金属板上的光纤光栅探测到。这是利用光纤光栅传感器实现远距离恶劣环境下测量的实例。
2、在航天器及船舶中的应用。光纤光栅传感器非常适合在航天器中应用。光纤光栅传感器在航天器中监测飞行器的应变、温度、振动、起落驾驶状态、超声波场和加速度等情况。因为传感器的重量要尽量轻，尺寸要尽量小，因此，灵巧的光纤光栅传感器是最好的选择。为了监测一架飞行器的应变、温度、振动、起落驾驶状态、超声波场和加速度等情况，通常需要100多个传感器，故传感器的重量要尽量轻，尺寸要尽量小，因此，灵巧的光纤光栅传感器是最好的选择；光纤光栅传感器非常适合用来监测轮船船体结构，提供可影响材料性能的机械变化信息，监测复合材料的硫化，在轮船的试用期担当监测任务，测量船体的弯曲应力，测量海浪对甲板的抨击力。
3、在土木工程领域中的应用。光栅传感器具有很好的检测精度、线性响应和重复性，可以为工程结构监测提供数据，在一定程度上为实现长期监测提供了保障。大型土木工程结构和基础设施（如桥梁、超高层建筑、大型水坝等建筑）在其长期的服役过程中，结构不可避免地产生损伤积累，抗力减小，如不能了解结构的健康情况，一旦事故发生就会带来巨大的损失。光纤光栅传感器的独特优点使得它们很容易粘贴于结构表面或者嵌入结构内部，实现对结构状态的实时分布式监测。光栅光纤传感器在工程施工期间，可以进行实时监测，在工程建成之后，可以监测结构的健康状况以及载荷分布情况。
4、在石油工业中的应用。光纤光栅传感器非常适合在石油领域里应用。油井井温在石油勘探、开采和生产中是一个极其重要的参数，它对确定油层位置、厚度、含水地层的深度等具有决定性的意义，分布式光纤光栅测温系统为井温测量提供了一种全新的手段，系统使用柔软、芯径细小、本身绝缘并与光纤光栅天然相容的光纤作为感知并传送信号的媒体，可以在恶劣的环境下对形状复杂的温度场进行实时快速地检测和定位。
