光纖光柵傳感器的應用

        一、光纖光柵傳感器的優(yōu)勢

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

       (1) 傳感頭結構簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、外形可變, 適合埋入大型結構中, 可測量結構內部的應力、應變及結構損傷等, 穩定性、重復性好;
       (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) 具有非傳導性, 對被測介質(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, 構成傳感陣列, 與波分復用和時(shí)分復用系統相結合, 實(shí)現分布式傳感;
       (5) 測量信息是波長(cháng)編碼的, 所以, 光纖光柵傳感器不受光源的光強波動(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構、航空航天等領(lǐng)域的健康監測,以及能源化工等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。
光纖Bragg光柵傳感器無(wú)疑是一種優(yōu)秀的光纖傳感器，尤其在測量應力和應變的場(chǎng)合，具有其它一些傳感器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，被認為是智能結構中最有希望集成在材料內部，作為監測材料和結構的載荷，探測其損傷的傳感器。

       二、光纖光柵的傳感應用

        1、土木及水利工程中的應用

        土木工程中的結構監測是光纖光柵傳感器應用最活躍的領(lǐng)域。

        力學(xué)參量的測量對于橋梁、礦井、隧道、大壩、建筑物等的維護和健康狀況監測是非常重要的.通過(guò)測量上述結構的應變分布,可以預知結構局部的載荷及健康狀況.。光纖光柵傳感器可以貼在結構的表面或預先埋入結構中,對結構同時(shí)進(jìn)行健康檢測、沖擊檢測、形狀控制和振動(dòng)阻尼檢測等,以監視結構的缺陷情況.。 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 ),對結構進(jìn)行準分布式檢測,可以用計算機對傳感信號進(jìn)行遠程控制。

        （1）在橋梁安全監測中的應用       

       目前, 應用光纖光柵傳感器最多的領(lǐng)域當數橋梁的安全監測。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)鍵受力構件,其他土木工程結構的預應力錨固體系,如結構加固采用的錨索、錨桿也是關(guān)鍵的受力構件。上述受力構件的受力大小及分布變化最直接地反映結構的健康狀況,因此對這些構件的受力狀況監測及在此基礎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(gè)光纖光柵傳感器貼在預應力混凝土支撐的鋼增強桿和炭纖復合材料筋上,對橋梁結構進(jìn)行長(cháng)期監測, 而這在以前被認為是不可能。德國德累斯頓附近A 4 高速公路上有一座跨度72 m的預應力混凝土橋, 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(xiàn)性響應, 并且用常規的應變測量?jì)x器作了對比試驗, 證實(shí)了光纖光柵傳感器的應用可行性。瑞士應力分析實(shí)驗室和美國海軍研究實(shí)驗室, 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)光纖光柵傳感器對箱形梁被推拉時(shí)的準靜態(tài)應變進(jìn)行了監測, 32個(gè)光纖光柵分布于箱形梁的不同位置、用掃描法- 泊系統進(jìn)行信號解調。

        2003年6月，同濟大學(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力應變和溫度變化情況。

        施工情況：

        整個(gè)檢測項目的實(shí)施主要包括傳感器布設、數據測量和數據分析三大步。
       在盧浦大橋選定的端面上布設了8個(gè)光纖光柵應變傳感器和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)光纖傳輸到橋管所，實(shí)現大橋的集中管理。

        數據測量的周期根據業(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)應變測試。

      （2）在混凝土梁應變監測中的應用

        1989年, 美國B(niǎo)rown University 的Mendez 等人首先提出把光纖傳感器埋入混凝土建筑和結構中, 并描述了實(shí)際應用中這一研究領(lǐng)域的一些基本設想。此后, 美國、英國、加拿大、日本等國家的大學(xué)、研究機構投入了很大力量研究光纖傳感器在智能混凝土結構中的應用。

        在混凝土結構澆注時(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, 為適應土木工程施工粗放性的特點(diǎn), 在將其作為傳感器測量建筑結構應變時(shí),應采取適當保護措施。

        一種可行的方案是：在鋼筋籠中布置好混凝土應變傳感器的光纖線(xiàn)路后, 將混凝土應變傳感器用鐵絲等按照預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。而對粘貼式鋼筋應變傳感器一般則用外涂膠層進(jìn)行保護。

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

        （3）在水位遙測中的應用

        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(zhuān)門(mén)用于江河、湖泊以及排污系統水位的測量。傳感器的精度可以到達±0.1％F•S。光纖安裝在傳感器內部，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(cháng)的光信號。當FBG與彈性膜片或其它設備連接在一起時(shí)，水位的變化會(huì )拉伸或壓縮FBG。而且，反射波長(cháng)會(huì )隨著(zhù)折射率周期性變化而發(fā)生變化。那么，根據反射波長(cháng)的偏移就可以監測出水位的變化。

        （4）在公路健康檢測中的應用

        公路健康監測必要性：

        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(shuō)交通的好壞可以直接決定一個(gè)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上，其中維護費用占據了很大一部分。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(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)行健康檢測是非常有必要的?，F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變傳感器可以及時(shí)得到溫度以及應變的變化情況，對公路質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監控。詳細了解施工材料的特點(diǎn)以及影響施工質(zhì)量的因素。

        傳感器設計方案：

　　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. 在瀝青層鋪設過(guò)程中溫度可達160℃。
　　2. 在施工過(guò)程中，每層受到的壓力達20t 以上。
　　3. 由于瀝青層隨著(zhù)環(huán)境溫度變化，其強度變化明顯。傳感器需要能真實(shí)反映瀝青層應變。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。為了使傳感器在強壓力下仍然能繼續工作，并且和瀝青層比較好的配合，能真實(shí)反映瀝青層撓度，設計傳感器外形的時(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測點(diǎn)埋入傳感器，組建公路監測系統，統一監控。在數據處理方面進(jìn)行研究，除了能監測公路健康狀況，還可實(shí)現車(chē)流量統計，對公路上超速超載情況進(jìn)行監測等功能。

        2、航空航天中的應用

        智能材料與結構的研究起源于20世紀80年代的航空航天領(lǐng)域。1979年，美國國家宇航局（NASA）創(chuàng )始了一項光纖機敏結構與蒙皮計劃，首次將光纖傳感器埋入先進(jìn)聚合物復合材料蒙皮中，用以監控復合材料應變與溫度。
先進(jìn)的復合材料抗疲勞、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，因此復合材料越來(lái)越多地被用于制造航空航海工具(如飛機的機翼)。

         另外，為了監測一架飛行器的應變、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)際上飛機的復合材料中存在兩個(gè)方向的應變，嵌人材料中的光纖光柵傳感器是實(shí)現多點(diǎn)多軸向應變和 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用非常重視, 他們在航天飛機X-33上安裝了測量應變和溫度的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò ), 對航天飛機進(jìn)行實(shí)時(shí)的健康監測。X-33是一架原型機, 設計用來(lái)作“國際空間站”的往返飛行。

        BlueRoadResearch 聯(lián)合美國海軍空戰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(xiàn), 非常耗時(shí)而且信號難以處理。美國海軍研究實(shí)驗室將光纖光柵傳感器固定在飛機輕型天線(xiàn)反射器的不同位置, 測量縱向應變、彎曲和扭矩。


         3、船舶航運業(yè)中的應用

        （1）船舶結構健康監測系統

        美國海軍實(shí)驗室對光纖光柵傳感技術(shù)非常重視，已開(kāi)發(fā)出用于多點(diǎn)應力測量的光纖光柵傳感技術(shù)，這些結構包括橋梁、大壩、船體甲板、太空船和飛機。在美國海軍的資助下，開(kāi)發(fā)有船舶結構健康監測系統，已制成用于美國海軍艦隊結構健康監測的低成本光纖網(wǎng)絡(luò )，這個(gè)系統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/波分復用技術(shù)實(shí)時(shí)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(guò)現有陣列估算技術(shù)一個(gè)數量級，從而可增強海軍的戰術(shù)優(yōu)勢。

        1999年春，美國海軍研究實(shí)驗室（Naval Research Laboratory, NRL）光纖靈巧結構部的Michael Todd等人用光纖傳感系統對KNM Skjold 快速巡邏艇進(jìn)行智能監測。

        2000,6,25 DavidsonInstruments宣布為美國海軍開(kāi)發(fā)全光纖艦船傳感系統。美國海軍正在研究21世紀水面戰斗艦船。這些艦船包括按DD21設計的登陸攻擊驅逐艦，也包括按CG-21設計的巡洋艦。2002,7,10 DavidsonInstruments已經(jīng)宣布完成了該項目，其結果數據被用于艦船的制造和改進(jìn)提供參考。同時(shí)這個(gè)全光纖的傳感系統可以抵抗核武器的沖擊波效應。

（2）全光纖艦船傳感系統

       2002,2 美國海軍研究中心（Navy office of Naval Research）和海上戰爭中心（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對其進(jìn)行艦船結構健康監測。SPA安裝了自己的艦船監測系統和超過(guò)50個(gè)FBG傳感器安裝在艦殼上，同時(shí)存在電傳感器以驗證它的精度和性能。這個(gè)測試系統伴隨RV Triton在海上2個(gè)星期的海上航行測試，最后數據被NSWCCD 和 SPA分析，以指導RV Triton的工程改進(jìn)。同時(shí)美國也非常有興趣將該傳感系統用在Trimaran（三艦并列）技術(shù)的發(fā)展中。

3）駁船健康監測系統

        美國海上戰爭中心（Naval Surface Warfare Center, Carderock Division）對美國海軍的接合標準模駁船系統JMLS進(jìn)行結構監測。用4個(gè)通道共16個(gè)FBG傳感器，其中14應變傳感器和2個(gè)Flat-Pack傳感器（包含兩個(gè)FBG，可同時(shí)測量溫度和應變），和SPA的艦船健康監測系統

        （4）發(fā)射系統環(huán)境監測系統

美國海上戰爭中心Naval Surface Warfare Center，Port Hueneme Division正在開(kāi)發(fā)自己的光纖傳感測試系統以用于長(cháng)期的監測以決定表面艦船垂直發(fā)射系統（VLS）和導彈發(fā)射的操作環(huán)境。因為導彈等發(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，必須對其進(jìn)行定期的檢測。在這個(gè)測試系統中，測量的物理量包括溫度，應變，壓力，加速度和濕度。
 

        （5）艦船FBG傳感器網(wǎng)絡(luò )

                                    
        2002,4挪威國防研究所的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，測量它的應力分布，最后用有限元的方法分析其受力模型。這樣可以通過(guò)監測和限制殼上的應力分布，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)新封裝設計以增加傳感器使用壽命。

        （6）艦船推進(jìn)器光纖傳感系統

        美國海軍水面戰斗中心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，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)運用了SPA的基于高速傳感器查詢(xún)系統的數字空間波長(cháng)復用器。為了驗證這個(gè)推進(jìn)器的設計，4個(gè)通道24個(gè)傳感器被用于測試，21個(gè)應變傳感器，3個(gè)溫度傳感器，取樣頻率2KHz。

       （7）艦船結構光纖傳感系統

       1999,10 在美國海軍實(shí)驗室的資助下，Systems Planning and Analysis Inc.制作了一個(gè)低成本的，用于監測美國海軍艦船的結構和理性的光纖網(wǎng)絡(luò )。在這個(gè)系統中，通過(guò)分布在艦船外殼上的傳感點(diǎn)，可以實(shí)時(shí)的計算和報告艦船在海洋中作業(yè)時(shí)的受力情況。這個(gè)遠程監測技術(shù)能夠為艦船的設計的修改和升級提供指導，同時(shí)對艦船的完整性有預警功能。

（8）聲納傳感系統

目前，聲納傳感器已被各國海軍特別關(guān)注。在實(shí)際應用中，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)聲納模塊相對聲音噪聲的位置決定了辨別噪聲源的準確性。電子傳感器雖然已經(jīng)在上面領(lǐng)域被應用，但由于其自身存在的問(wèn)題，這樣隨著(zhù)全光纖拖拽聲納系統的發(fā)展，用一個(gè)光的方法來(lái)精確的測量陣列上的各個(gè)水聽(tīng)器的位置就顯得非常的必要。Fiber Bragg grating(FBG)傳感器對于這種需要分布式形貌測量的應用是非常的理想的。SPA已經(jīng)用FBG傳感器開(kāi)發(fā)了一個(gè)相對成本低的，光拖拽陣列形貌和位置測量系統，克服了許多當前的缺點(diǎn)。用軟硬件相結合的方法實(shí)時(shí)的分解和顯示了陣列和柔軟結構的變形。同時(shí)這個(gè)系統是基于Micron Optics的FBG解調系統的。

         4、石化工業(yè)中的應用

         工廠(chǎng)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(chǎng)合的本征安全性，以及快速響應和對腐蝕液體的抗拒性，光纖傳感器適用于工廠(chǎng)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,可以替代傳統的電傳感器廣泛應用在海洋石油平臺上及油田、煤田中探測儲量和地層情況。內置于細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傳感系統可以對長(cháng)距離油氣管道實(shí)行分布式實(shí)時(shí)的在線(xiàn)監測。Sp irin等人設計了一種用于漏油監測的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(cháng)漂移,通過(guò)監測這個(gè)漂移達到報警目的。在室溫下,該系統在20min內波長(cháng)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(cháng)漂移(0.5nm)。

        除此之外，還有一種利用溫度變化監測管道泄漏的方法。

        管道泄露監測原理圖：

        5、電力工業(yè)中的應用

        電力工業(yè)中的設備大多處在強電磁場(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(xiàn)監測，高壓變壓器繞組、發(fā)電機定子等地方的溫度和位移等參數的實(shí)時(shí)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(mǎn)足在這種環(huán)境條件下使用。

        在強電磁環(huán)境中，關(guān)鍵基礎用電設備的安全運行是企業(yè)生產(chǎn)的必要保障，也是整個(gè)國民經(jīng)濟正常運轉的基本保證。電氣設備產(chǎn)生故障的大部分原因是設備過(guò)熱引起的，主要可以分為外部熱故障和內部熱故障。電氣設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。統計近幾年來(lái)檢測到的外部熱故障的幾千個(gè)數據，可以發(fā)現線(xiàn)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。

        根據對電力事故分析，電纜故障引起的火災導致大面積電纜燒損，造成被迫停機，短時(shí)間內無(wú)法恢復生產(chǎn)，造成重大經(jīng)濟損失。通過(guò)事故的分析，引起電纜溝內火災發(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(cháng)期運行所造成的電纜頭過(guò)熱燒穿絕緣，最后導致電纜溝內火災的發(fā)生。

        從電纜頭或變電設備的過(guò)熱到事故的發(fā)生，其發(fā)展速度比較緩慢、時(shí)間較長(cháng)，通過(guò)電纜/設備溫度在線(xiàn)監測系統完全可以防止、杜絕此類(lèi)事故的發(fā)生。

        溫度監測的主要目標設備:

        在電力工業(yè)中，電流轉換器可把電流變化轉化為電壓變化，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(cháng)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(jià)的方法，并且不需要復雜的電隔離。另外，由大雪等對電線(xiàn)施加的過(guò)量的壓力可能會(huì )引發(fā)危險事件，因此在線(xiàn)檢測電線(xiàn)壓力非常重要，特別是對于那些不易檢測到的山區電線(xiàn)。光纖光柵傳感器可測電線(xiàn)的載重量，其原理為把載重量的變化轉化為緊貼電線(xiàn)的金屬板所受應力的變化，這一應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(shí)現遠距離惡劣環(huán)境下測量的實(shí)例，在這種情況下，相鄰光柵的間距較大，故不需快速調制和解調。

       6、核工業(yè)中的應用

        核工業(yè)是個(gè)高輻射的地方,核泄漏對人類(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,需要更多的維護和修理,最終必須被拆除,所有這些都不能在設計時(shí)預見(jiàn),因此需要更多的傳感器以便遙控設備,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,需要有監測網(wǎng)絡(luò )來(lái)監視核廢料站的狀況,對監視網(wǎng)絡(luò )長(cháng)期穩定的要求也是前所未有的。

        比利時(shí)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(shí)驗測量了各種商用光纖光柵對C輻射的敏感性。他們的研究結果是:光纖光柵的溫度敏感系數在3 % 的精度內不受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(cháng)在C輻射下變化不大于25 pm ,并且C輻射劑量達到0.1MGy 時(shí),波長(cháng)變化飽和。他們認為: 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)現光纖載氫不僅可以增強光敏性,也會(huì )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堆,通過(guò)輻射環(huán)境測試確保光纖光柵用于核電廠(chǎng)設備和管道的傳感, 并能在幾乎整個(gè)反應堆壽命期間忍耐核輻射。

        核電站的反應堆建筑或外殼結構是很厚的鋼或鋼筋混凝土地板和墻, 是設計用于防止核泄漏的最后防護屏障, 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進(jìn)行遙測將極大地增強可靠性、安全性、并減少維護費用。1995 年, 法國的CEA 2L ET I、EDF 和F ram atom e就開(kāi)始了一個(gè)聯(lián)合計劃發(fā)展布喇格光柵變形測量?jì)x用于核電廠(chǎng)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, 對高性能預應力混凝土核殼大墻進(jìn)行監測。

        在增壓水反應堆核電站中, 水被用來(lái)吸收熱但不沸騰, 因為水被保持在高壓中, 在熱—機械循環(huán)中管道和接頭會(huì )發(fā)生老化, 因此早期泄漏探測是一個(gè)重要的課題。核反應堆水管的泄漏和破裂是非常危險的,極端情況下會(huì )使核反應堆熔化造成和泄漏。1996 年初, 由英國B(niǎo) 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 計劃, 旨在開(kāi)發(fā)一種具有完善溫度補償的分布式靜態(tài)監測系統, 此系統能復用多個(gè)光纖光柵應變傳感器對高溫部件(～550 ℃) 進(jìn)行實(shí)時(shí)壽命預測。

        高輻射的核廢料必須儲藏在地下很長(cháng)時(shí)間。德國將研究用布喇格光柵傳感器監測地下核廢料堆中的應變和溫度。

        7、醫學(xué)中的應用

        醫學(xué)中用的傳感器多為電子傳感器，它對許多內科手術(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?，這樣會(huì )導致錯誤讀數。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)越受到醫學(xué)界的關(guān)注，而且傳感器的小尺寸在醫學(xué)應用中是非常重要的，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(guò)最小限度的侵害方式測量人體組織內部的溫度、壓力、聲波場(chǎng)的精確局部信息。到目前為止，光纖光柵傳感系統已經(jīng)成功地檢測了病變組織的溫度和超聲波場(chǎng)，在30℃～60℃的范圍內，獲得了分辨率為0.1℃和精確度為±0.2℃的測量結果，而超聲場(chǎng)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(lái)測量心臟的效率。在這種方法中，醫生把嵌有光纖光柵的熱稀釋導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(dòng)脈血液的溫度，結合脈功率就可知道心臟的血液輸出量，這對于心臟監測是非常重要的。

        巴西的W ehrle 等人用彈性膠帶將光纖光柵應變傳感器固定在病人的胸部, 通過(guò)胸腔的變化, 測量呼吸過(guò)程的頻譜。這種測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。如果用常規的電類(lèi)傳感器會(huì )受到高壓放電的干擾。

        新加坡總醫院將南洋理工大學(xué)生物醫學(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, 以便幫助醫生監視患者的健康。埋有光纖光柵陣列的腳壓傳感墊配以繪圖設備可以繪出外科校正壓力的空間圖形, 能用于監視患者站立時(shí)的腳底壓力分布。

        8、其它應用

        除上述應用外, 光纖光柵傳感器還在其他領(lǐng)域得到了應用, 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)探測傳感器廣泛應用于工業(yè)與醫藥;

        (2)光纖層析成像技術(shù), 根據不同的原理和應用場(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)光纖陀螺及慣性導航系統,美國Honeywell 公司為美國軍方制造的用于直升機的三軸慣導系統直徑僅為86mm,日本Mitsubishi Precision 公司和空間及宇航所為日本M-V火箭系統設計制造了慣導系統。

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

        四、現狀與展望

        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)展的又一強勁推動(dòng)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)化和大規模推廣應用方面還遠不能滿(mǎn)足國名經(jīng)濟發(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)轉化為重點(diǎn)，目前對光纖光柵傳感器的研究方向主要有三個(gè)方面：

        1、對傳感器本身及進(jìn)行橫向應變感測和高靈敏度、高分辨率、且能同時(shí)感測應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的研究，目標是開(kāi)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(shí)際應用研究，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(kāi)展各應用領(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用的最主要障礙是傳感信號的解調, 正在研究的解調方法很多, 但能夠實(shí)際應用的解調產(chǎn)品并不多, 且價(jià)格較高。其次, 光纖光柵傳感器應用中的其他問(wèn)題也非常重要, 如:

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

        (2)如何實(shí)現在復合材料中同時(shí)測量多軸向的應變,以再現被測體的多軸向應變形貌;

        (3) 如何實(shí)現大范圍、高精度、快速實(shí)時(shí)測量;

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

        有效地解決上述問(wèn)題對于實(shí)現廉價(jià)、穩定、高分辨率、大測量范圍、多光柵復用的傳感系統具有重要意義, 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系統的研究。