光纤光栅传感器技术及其应用
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作者: 赵印明 刘春红 郑 芃
摘要:在光纤传感器领域,光纤光栅传感器的应用前景十分广阔。早在1988年就成功地在航空、航天领域中作为有效的无损检测技术,同时光纤光栅传感器还可应用于化学医药、材料工业、水利电力、船舶、煤矿等各个领域,还在土木工程领域的混凝土组件和结构中,测定其结构的完整性和内部应变状态,从而建立灵巧结构,进一步实现智能建筑。
关键词:光纤光栅 传感器 技术 应用
一、光纤光栅传感技术
光纤光栅是利用光纤的光折变效应,使纤芯折射率沿轴向产生周期性变化,在纤芯内形成空间相位光栅。目前主要的制作方法是紫外激光写人法。光纤光栅根据其折射率分布形式有光纤bragg光栅、碉瞅光栅、取样光栅以及长周期光栅,滤油特摊各不相同。光纤光栅传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术而迅速发展起来的一种以光为载体、光纤为媒质感知和传输外界信号的新型传感技术。用光纤布拉格光栅敏感元件的功能型光纤传感器,可以传感温度和应变有关的物理量和化学量的间接测量。光纤布拉格光栅除了具有普通光纤传感器抗电磁、抗腐蚀、耐高温、体积小、重量轻等优点外,还具有以下独特优点:探头结构简单,尺寸小,易于和光纤辊合,稳合损耗小;因其属于波长调制型,所以抗干扰能力强;集传感和传输为一体,具有很强的复用能力,易于构成传感网络;测量对象广泛,易于实现多参数传感测量等;因通过光传感,其抗电磁辐射能力大大提高。光纤光栅传感器原理大致为,光纤光栅的中心波长随温度及应变的变化而变化,且波长的变化量与被测量的变化量在理论上呈线性关系。光纤光栅传感器的研究关键问题是如何提高中心波长移动量的精度。
由于很多光纤传感器的开发是以取代当前己相当成熟、可靠性和成本己得到公认、并已经被广泛采用的传统机电传感系统为目的,所以尽管这些光纤传感器具有如电磁绝缘、高灵敏度、易复用等诸多优势,其市场渗透所面临的困难和挑战是可想而知的。而那些具有前所未有全新功能的光纤传感器则在竞争中占有明显优势,FBG和其他的光栅类传感器就是一个最好的例证。当前的原理性研究热点集中于光纤光栅型传感器和分布式光纤传感系统两大板块。FBG型光纤传感器自发明之日起,己走过了原理性研究和实验论证的百家争鸣阶段。目前成熟的制作工艺己可形成小批量生产能力,而研究的焦点也转向解决高精度应用、完善解调和复用技术,以及降低成本等几个方向上,由于光纤传感器具有将传输与传感媒质合而为一的特性,使得沿布设路径上的光纤可全部成为敏感元件,因此,分布式传感成为光纤传感器与生俱来的优点,这也是开发的热点。
二、光纤光栅传感器的应用
1、航天器
先进的复合材料抗疲劳、抗腐蚀性能较好,而且可以减轻船体或航天器的重量,对于快速航运或飞行具有重要意义,因此复合材料越来越多地被用于制造航空航海工具(如飞机的机翼)。实际上飞机的复合材料中存在两个方向的应变,嵌人材料中的光纤光栅传感器是实现多点多轴向应变和温度测量的理想智能元件。
2、化学传感
光纤光栅传感器可用于化学传感,因为光栅的中心波长随折射率的变化而变化,而光栅间倏失波的相互作用。目前已经用长周期光栅测出了许多化学物质的浓度,原则上,任何具有吸收峰谱并且其折射率在1.3和1.45之间的化学物质都可用长周期光栅进行探测。
3、电力工业
光纤光栅传感器因不受电磁场干扰和可实现长距离低损耗传输,从而成为电力工业应用的理想选择。电流转换器可把电流变化转化为电压变化,电压变化使压电陶瓷(PZT)产生形变,而利用贴于PZT上的光纤光栅的波长漂移,很容易得知其形变,从而得知电流强度。这是一种较为廉价的方法,并且不需要复杂的电隔离。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,在这种情况下,相邻光栅的间距较大,故不需快速调制和解调。
4、工程结构
民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活跃的领域。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中,对结构同时进行冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等,以监视结构的缺陷情况。光纤光栅传感器可以检测的建筑结构之一为桥梁。如果需要更加完善的保护,则最好是在建造桥时把光栅埋进复合筋,由于需要修正温度效应引起的应变,可使用应力和温度分开的传感臂,并在每一个梁上均安装这两个臂。
5、地球动力学
在地震检测等地球动力学领域中,光纤光栅传感器在这一领域中的应用主要是在岩石变形、垂直震波的检测以及作为地形检波器和光学地震仪使用等方面。为了得到相当准确的震源或火山源的位置,更好地描述源区的几何形状和演变情况,需要使用密集排列的应力-应变测量仪。光纤光栅传感器是能实现远距离和密集排列复用传感的宽带、高网络化传感器,符合地震检测等的要求,因此它在地球动力学领域中无疑具有较大的潜在用途。
6、医学应用
医学中用的传感器多为电子传感器,它对许多内科手术是不适用的,尤其是在高微波(辐射)频率、超声波场或激光辐射的过高热治疗中,由于电子传感器中的金属导体很容易受电流、电压等电磁场的干扰而引起传感头或肿瘤周围的热效应,这样会导致错误读数。光纤光栅传感器还可用来测量心脏的效率。医生把嵌有光纤光栅的热稀释导管插入病人心脏的右心房,并注射人一种冷溶液,可测量肺动脉血液的温度,结合脉功率就可知道心脏的血液输出量,这对于心脏监测是非常重要的。
光纤传感器有许多独特优势,可以解决许多传统传感器无法解决的问题。光纤光栅传感器的应用是一个方兴未艾的领域,有着非常广阔的发展前景。有效地解决上述问题对于实现廉价、稳定、高分辨率、大测量范围、多光栅复用的传感系统具有重要意义,这些都有待发展。
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