光纖傳感技術論文(2)
光纖傳感技術論文篇二
光纖光柵傳感技術應用研究
[提要] 光纖光柵傳感技術是近年來發展起來的一門新技術。本文在分析光纖光柵傳感技術優勢的基礎上，綜述光纖光柵傳感技術的應用，討論光纖光柵傳感器在應用研究過程中需要解決的關鍵問題，并對其應用前景做了展望。
關鍵詞：光纖光柵;傳感技術;應用研究
中圖分類號：F49 文獻標識碼：A
收錄日期：2012年6月8日
光纖光柵是近年來發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、性能穩定可靠、易與系統及其他光纖器件連接等優點，因而在光通信、光纖傳感等領域得到了廣泛應用。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展最快、最先進的光纖無源器件之一，光纖光柵傳感器產業已被國內外公認為是最具有發展前途的高新技術產業之一，它以技術含量高、經濟效益好、滲透能力強、市場前景廣等特點為世人所矚目。
一、光纖光柵傳感的優勢
作為光纖傳感器的一種，近年來發展十分迅速，它之所以有這樣迅猛的發展，是因為它與傳統的電傳感器等相比有其獨特的優點。
1、具有非傳導性，對被測介質影響小，又具有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點，適合在煤氣附近、電站、核設施、礦井下、油田以及油罐周圍等惡劣、高危險環境中工作。抗干擾能力強，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);另一方面光纖光柵傳感系統從本質上排除了各種光強起伏引起的干擾。
2、光纖輕巧柔軟，可以在一根光纖中寫入多個光柵，構成傳感陣列，與波分復用和時分復用技術相結合，實現多點、分布式傳感。便于構成各種形式的光纖傳感網絡，尤其是采用波分復用技術構成分立式或分布式光纖光柵傳感器陣列，進行大面積的、同時的多點測量。這對于大型土木結構的健康檢測等方面有著重要的應用。因此，人們十分重視該領域的研究，并且它已成為傳感領域的重要組成部分。
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、傳感探頭結構簡單、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構。便于埋入復合材料構件及大型建筑物內部，對結構的完整性、安全性、載荷疲勞、損傷程度等狀態進行連續實時監測。穩定性高，重復性好。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波動、光纖連接器耦合損耗、彎曲損耗以及光波偏振態的變化等因素的影響，有較強的抗干擾能力。
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波動、光纖連接及耦合損耗以及光波偏振態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度，若有效的運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點，近年來光纖光柵傳感器在大型土木工程結構、航空航天等領域的健康監測，以及能源化工等領域得到了廣泛的應用。
二、光纖光柵傳感技術的應用
1、在電力系統的應用。光纖光柵傳感器在電力上的應用，主要是通過對溫度的測量實現對電力設備的實時安全檢測。光纖光柵傳感器檢測的電力設備包括高壓開關柜隔離觸頭斷路器、線夾、隔離刀閘、互感器、變壓器、電抗器、阻波器等。對這些電力設備進行溫度的在線監測，診斷過熱的原因，再經過處理分析故障，從而實現真正意義的在線安全監測。
光纖光柵傳感器具有良好的抗電磁干擾性，是電力工業中有關參數監測的理想傳感元件。在電力工業中，電流轉換器可把電流變化轉化為電壓變化，電壓變化使陶瓷(PZT)產生變形，貼于PZT上的光纖光柵產生波長漂移，從而得知電流強度。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測方面具有獨特的優勢。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化為緊貼電線的金屬板所受應力的變化，這一應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遠距離惡劣環境下測量的實例。
2、在航天器及船舶中的應用。光纖光柵傳感器非常適合在航天器中應用。光纖光柵傳感器在航天器中監測飛行器的應變、溫度、振動、起落駕駛狀態、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。為了監測一架飛行器的應變、溫度、振動、起落駕駛狀態、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測輪船船體結構，提供可影響材料性能的機械變化信息，監測復合材料的硫化，在輪船的試用期擔當監測任務，測量船體的彎曲應力，測量海浪對甲板的抨擊力。
3、在土木工程領域中的應用。光柵傳感器具有很好的檢測精度、線性響應和重復性，可以為工程結構監測提供數據，在一定程度上為實現長期監測提供了保障。大型土木工程結構和基礎設施(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，結構不可避免地產生損傷積累，抗力減小，如不能了解結構的健康情況，一旦事故發生就會帶來巨大的損失。光纖光柵傳感器的獨特優點使得它們很容易粘貼于結構表面或者嵌入結構內部，實現對結構狀態的實時分布式監測。光柵光纖傳感器在工程施工期間，可以進行實時監測，在工程建成之后，可以監測結構的健康狀況以及載荷分布情況。
4、在石油工業中的應用。光纖光柵傳感器非常適合在石油領域里應用。油井井溫在石油勘探、開采和生產中是一個極其重要的參數，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為井溫測量提供了一種全新的手段，系統使用柔軟、芯徑細小、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，可以在惡劣的環境下對形狀復雜的溫度場進行實時快速地檢測和定位。
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