光纖光栅傳感器:獲取傳感信息儀器-中文百科頻道

簡介

光纖光栅傳感器可以實現對溫度、應變等物理量的直接測量。由于光纖光栅波長對溫度與應變同時敏感，即溫度與應變同時引起光纖光栅耦合波長移動，使得通過測量光纖光栅耦合波長移動無法對溫度與應變加以區分。

因此，解決交叉敏感問題，實現溫度和應力的區分測量是傳感器實用化的前提。通過一定的技術來測定應力和溫度變化來實現對溫度和應力區分測量。這些技術的基本原理都是利用兩根或者兩段具有不同溫度和應變響應靈敏度的光纖光栅構成雙光栅溫度與應變傳感器，通過确定2個光纖光栅的溫度與應變響應靈敏度系數，利用2個二元一次方程解出溫度與應變。區分測量技術大體可分為兩類，即，多光纖光栅測量和單光纖光栅測量。

多光纖光栅測量主要包括混合FBG/長周期光栅（long period grating）法、雙周期光纖光栅法、光纖光栅/F-P腔集成複用法、雙FBG重疊寫入法。各種方法各有優缺點。FBG/LPG法解調簡單，但很難保證測量的是同一點，精度為9×10-6，1.5℃。雙周期光纖光栅法能保證測量位置，提高了測量精度，但光栅強度低，信号解調困難。光纖光栅/F-P腔集成複用法傳感器溫度穩定性好、體積小、測量精度高，精度可達20×10-6，1℃，但F-P的腔長調節困難，信号解調複雜。雙FBG重疊寫入法精度較高，但是，光栅寫入困難，信号解調也比較複雜。

單光纖光栅測量主要包括用不同聚合物材料封裝單光纖光栅法、利用不同的FBG組合和預制應變法等。用聚合物材料封裝單光纖光栅法是利用某些有機物對溫度和應力的響應不同增加光纖光栅對溫度或應力靈敏度，克服交叉敏感效應。這種方法的制作簡單，但選擇聚合物材料困難。利用不同的FBG組合法是把光栅寫于不同折射率和溫度敏感性或不同溫度響應靈敏度和摻雜材料濃度的2種光纖的連接處，利用不同的折射率和溫度靈敏性不同實現區分測量。

這種方法解調簡單，且解調為波長編碼避免了應力集中，但具有損耗大、熔接處易斷裂、測量範圍偏小等問題。預制應變法是首先給光纖光栅施加一定的預應變，在預應變的情況下将光纖光栅的一部分牢固地粘貼在懸臂梁上。

應力釋放後，未粘貼部分的光纖光栅形變恢複，其中心反射波長不變；而粘貼在懸臂梁上的部分形變不能恢複，從而導緻了這部分光纖光栅的中心反射波長改變，因此，這個光纖光栅有2個反射峰，一個反射峰（粘貼在懸臂梁上的部分）對應變和溫度都敏感；另一個反射峰（未粘貼部分）隻對溫度敏感，通過測量這2個反射峰的波長漂移可以同時測量溫度和應變。

分類

這些傳感器主要包括光纖光栅應變傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、液位傳感器等。

應變

此種傳感器是在工程領域中應用最廣泛，技術最成熟的光纖傳感器。應變直接影響光纖光栅的波長漂移，在工作環境較好或是待測結構要求精小傳感器的情況下，人們将裸光纖光栅作為應變傳感器直接粘貼在待測結構的表面或者是埋設在結構的内部。由于光纖光栅比較脆弱，在惡劣工作環境中非常容易破壞，因而需要對其進行封裝後才能使用。目前常用的封裝方式主要有基片式、管式和基于管式的兩端夾持式。

溫度

溫度是國際單位制給出的基本物理量之一，是工農業生産和科學實驗中需要經常測量和控制的主要參數，同時也是與人們日常生活密切相關的一個重要物理量。目前，比較常用的電類溫度傳感器主要是熱電偶溫度傳感器和熱敏電阻溫度傳感器。光纖溫度傳感與傳統的傳感器相比有很多優點，如靈敏度高，體積小，耐腐蝕，抗電磁輻射，光路可彎曲，便于遙測等。基于光纖光栅技術的溫度傳感器，采用波長編碼技術，消除了光源功率波動及系統損耗的影響，适用于長期監測;而且多個光纖光栅組成的溫度傳感系統，采用一根光纜，可實現準分布式測量。

溫度也是直接影響光纖光栅波長變化的因素，人們常常直接将裸光纖光栅作為溫度傳感器直接應用。同光纖光栅應變傳感器一樣，光纖光栅溫度傳感器也需要進行封裝，封裝技術的主要作用是保護和增敏，人們希望光纖光栅能夠具有較強的機械強度和較長的壽命，與此同時，還希望能在光纖傳感中通過适當的封裝技術提高光纖光栅對溫度的響應靈敏度。

普通的光纖光栅其溫度靈敏度隻有0.010nm/℃左右，這樣對于工作波長在1550nm的光纖光栅來說，測量100℃的溫度範圍波長變化僅為lnm。應用分辨率為lpm的解碼儀進行解調可獲得很高的溫度分辨率，而如果因為設備的限制，采用分辨率為0. 06nm的光譜分析儀進行測量，其分辨率僅為6度，遠遠不能滿足實際測量的需要。目前常用的封裝方式有基片式、管式和聚合物封裝方式等。

位移

研究人員開展了應用光纖光栅進行位移測量的研究，目前這些研究都是通過測量懸臂梁表面的應變，然後通過計算求得懸臂梁垂直變形，即懸臂梁端部垂直位移。這種“位移傳感器”不是真正意思上的位移傳感器，目前這種傳感器在實際工程已取得了應用，國内亦具有商品化産品。

加速度計

1996年，美國的Berkoff等人利用光纖光栅的壓力效應設計了光纖光栅振動加速度計。轉換器由質量闆、基闆和複合材料組成，質量闆和基闆都是6mm厚的鋁闆，基闆作為剛性闆起支撐作用，中間為8mm厚的複合材料夾在兩鋁闆中間起彈簧的作用。在質量塊的慣性力作用下，埋在複合材料中的光纖光栅受到橫向力作用産生應變，從而導緻光纖光栅的布拉格波長變化。

采用非平衡M-Z幹涉儀對光纖光栅的應變與加速度間的關系進行解調.1998年，Todd采用雙撓性梁作為轉換器設計了光栅加速度計。加速度傳感器由兩個矩形梁和一個質量塊組成，質量塊通過點接觸焊接在兩平行梁中間，光纖光栅貼在第二個矩形梁的下表面。在傳感器受到振動時，在慣性力的作用下，質量塊帶動兩個矩形梁振動使其産生應變，傳遞給光纖光栅引起波長移動。這種傳感器也在國内已經有了商品化的産品。

壓力

對拉力或壓力的監測也是監測的一部分重要内容，如橋梁結構的拉索的整體索力、高緯度海洋平台的冰壓力，以及道路的土壤壓力，水壓力等。哈工大歐進萍等人相繼開發出了光纖光栅拉索壓力環和光纖光栅冰壓力傳感器，英國海軍研究中心開發了光纖光栅土壤壓力傳感器，用以監測公路内部的荷載情況。并且各國相繼開始光纖光栅油氣井壓力傳感器的研究工作。

除以上介紹的光纖光栅傳感器外，光纖光栅研究人員和傳感器設計人員基于光纖光栅的傳感原理，還設計出光纖光栅伸長計，光纖光栅曲率計，光纖光栅濕度計，以及光纖光栅傾角儀，光纖光栅連通管等。此外，人們還通過光纖光栅應變傳感器制成用于測量公路運輸情況的運輸計、用于測量公路施工過程中瀝青應變的應變計等。

運用特點

(1)抗電磁幹擾：一般電磁輻射的頻率比光波低許多，所以在光纖中傳輸的光信号不受電磁幹擾的影響。

(2)電絕緣性能好，安全可靠：光纖本身是由電介質構成的，而且無需電源驅動，因此适宜于在易燃易爆的油、氣、化工生産中使用。

(3)耐腐蝕，化學性能穩定：由于制作光纖的材料一石英具有極高的化學穩定性，因此光纖傳感器适宜于在較惡劣環境中使用。

(4)體積小、重量輕，幾何形狀可塑。

(5)傳輸損耗小：可實現遠距離遙控監測。

(6)傳輸容量大：可實現多點分布式測量。

(7)測量範圍廣：可測量溫度、壓強、應變、應力、流量、流速、電流、電壓、液位、液體濃度、成分等。

應用

自從1989年美國的Morey等人首次進行光纖光栅的應變與溫度傳感器研究以來，世界各國都對其十分關注并開展了廣泛的應用研究，在短短的10多年時間裡光纖光栅己成為傳感領域發展最快的技術，并在很多領域取得了成功的應用，如航空航天、土木工程、複合材料、石油化工等領域。

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栅傳感器應用最活躍的領域。力學參量的測量對于橋梁、礦井、隧道、大壩、建築物等的維護和健康狀況監測是非常重要的.通過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。光纖光栅傳感器可以貼在結構的表面或預先埋入結構中，對結構同時進行健康檢測、沖擊檢測、形狀控制和振動阻尼檢測等，以監視結構的缺陷情況。另外，多個光纖光栅傳感器可以串接成一個傳感網絡，對結構進行準分布式檢測，可以用計算機對傳感信号進行遠程控制。

2、在橋梁安全監測中的應用

目前，應用光纖光栅傳感器最多的領域當數橋梁的安全監測。斜拉橋斜拉索、懸索橋主纜及吊杆和系杆拱橋系杆等是這些橋梁體系的關鍵受力構件，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、錨杆也是關鍵的受力構件。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。

加拿大卡爾加裡附近的Beddington Trail大橋是最早使用光纖光栅傳感器進行測量的橋梁之一(1993年)，16個光纖光栅傳感器貼在預應力混凝土支撐的鋼增強杆和炭纖複合材料筋上，對橋梁結構進行長期監測，而這在以前被認為是不可能。德國德累斯頓附近A4高速公路上有一座跨度72m的預應力混凝土橋，德累斯頓大學的Meis－sner等人将布拉格光栅埋入橋的混凝土棱柱中，測量荷載下的基本線性響應，并且用常規的應變測量儀器作了對比試驗，證實了光纖光栅傳感器的應用可行性。

瑞士應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個光纖光栅傳感器對箱形梁被推拉時的準靜态應變進行了監測，32個光纖光栅分布于箱形梁的不同位置、用掃描法-泊系統進行信号解調。

2003年6月，同濟大學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栅傳感器，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：整個檢測項目的實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個光纖光栅應變傳感器和4個光纖光栅溫度傳感器，其中8個光纖光栅應變傳感器串接為1路，4個溫度傳感器串接為1路，然後通過光纖傳輸到橋管所，實現大橋的集中管理。數據測量的周期根據業主的要求來确定，通過在橋面加載的方式，利用光纖光栅傳感網絡分析儀，完成橋梁的動态應變測試。

3、在混凝土梁應變監測中的應用

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築和結構中，并描述了實際應用中這一研究領域的一些基本設想。此後，美國、英國、加拿大、日本等國家的大學、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光栅通常寫于普通單模通訊光纖上，其質地脆，易斷裂，為适應土木工程施工粗放性的特點，在将其作為傳感器測量建築結構應變時，應采取适當保護措施。

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路後，将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，然後将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塗膠層進行保護。

2003年9月，上海紫珊光電技術有限公司自主研發的光纖光栅傳感應變計埋設于混凝土中對北京中關村某标志性建築進行靜态應變測量。上海紫珊光電技術有限公司自主研發的光線光栅應變計具有精度高（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、使用方便等優點，成功應用于北京中關村某标志性建築中，布設在鋼梁上并埋設在混凝土中對支柱鋼梁進行施工過程監測。

4、在水位遙測中的應用

在光纖光栅技術平台上研制出的高精度光學水位傳感器專門用于江河、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。光纖安裝在傳感器内部，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号。當FBG與彈性膜片或其它設備連接在一起時，水位的變化會拉伸或壓縮FBG。而且，反射波長會随着折射率周期性變化而發生變化。那麼，根據反射波長的偏移就可以監測出水位的變化。

5、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的事情，同樣也是制約城市發展的主要因素，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揮和誘發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量有很大關系。所以在公路施工過程以及使用過程中進行健康檢測是非常有必要的。現在的公路一般分三層進行施工，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變傳感器可以及時得到溫度以及應變的變化情況，對公路質量進行實時監控。詳細了解施工材料的特點以及影響施工質量的因素。