光纤光栅传感器的应用

发布时间:10-04-29 来源: 北京时代创合科技有限公司 点击量:82335
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  光纤光栅传感器的应用

  一、光纤光栅传感器的优势

  与传统的传感器相比,光纤Bragg光栅传感器具有自己独特的优点:

  (1) 传感头结构简单、体积小、重量轻、外形可变, 适合埋入大型结构中, 可测量结构内部的应力、应变及结构损伤等, 稳定性、重复性好;

  (2) 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;

  (3) 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, 适合在恶劣环境中工作;

  (4) 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系统相结合, 实现分布式传感;

  (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、高分辩力。

  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。

  光纤Bragg光栅传感器无疑是一种优秀的光纤传感器,尤其在测量应力和应变的场合,具有其它一些传感器无法比拟的优点,被认为是智能结构中最有希望集成在材料内部,作为监测材料和结构的载荷,探测其损伤的传感器。

  二、光纤光栅的传感应用

  1、土木及水利工程中的应用

  土木工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域。

  力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和健康状况监测是非常重要的.通过测量上述结构的应变分布,可以预知结构局部的载荷及健康状况.。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中,对结构同时进行健康检测、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.。

  另外,多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络,对结构进行准分布式检测,可以用计算机对传感信号进行远程控制。

  (1)在桥梁安全监测中的应用

  目前, 应用光纤光栅传感器最多的领域当数桥梁的安全监测。

  斜拉桥斜拉索、悬索桥主缆及吊杆和系杆拱桥系杆等是这些桥梁体系的关键受力构件,其他土木工程结构的预应力锚固体系,如结构加固采用的锚索、锚杆也是关键的受力构件。上述受力构件的受力大小及分布变化最直接地反映结构的健康状况,因此对这些构件的受力状况监测及在此基础上的安全分析评估具有重大意义。

  加拿大卡尔加里附近的Beddington Trail 大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一(1993 年), 16 个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和炭纤复合材料筋上,对桥梁结构进行长期监测, 而这在以前被认为是不可能。德国德累斯顿附近A 4 高速公路上有一座跨度72 m的预应力混凝土桥, 德累斯顿大学的Meis-sner 等人将布拉格光栅埋入桥的混凝土棱柱中, 测量荷载下的基本线性响应, 并且用常规的应变测量仪器作了对比试验, 证实了光纤光栅传感器的应用可行性。瑞士应力分析实验室和美国海军研究实验室, 在瑞士洛桑附近的V aux 箱形梁高架桥的建造过程中, 使用了32个光纤光栅传感器对箱形梁被推拉时的准静态应变进行了监测, 32个光纤光栅分布于箱形梁的不同位置、用扫描法- 泊系统进行信号解调。

  2003年6月,同济大学桥梁系史家均老师主持的卢浦大桥健康检测项目中,采用了上海紫珊光电的光纤光栅传感器,用于检测大桥在各种情况下的应力应变和温度变化情况。

  施工情况:

  整个检测项目的实施主要包括传感器布设、数据测量和数据分析三大步。

  在卢浦大桥选定的端面上布设了8个光纤光栅应变传感器和4个光纤光栅温度传感器,其中8个光纤光栅应变传感器串接为1路,4个温度传感器串接为1路,然后通过光纤传输到桥管所,实现大桥的集中管理。

  数据测量的周期根据业主的要求来确定,通过在桥面加载的方式,利用光纤光栅传感网络分析仪,完成桥梁的动态应变测试。

  (2)在混凝土梁应变监测中的应用

  1989年, 美国Brown University 的Mendez 等人首先提出把光纤传感器埋入混凝土建筑和结构中, 并描述了实际应用中这一研究领域的一些基本设想。此后, 美国、英国、加拿大、日本等国家的大学、研究机构投入了很大力量研究光纤传感器在智能混凝土结构中的应用。

  在混凝土结构浇注时所遇到的一个非常棘手的问题是: 如何才能在混凝土浇捣时避免破坏传感器及光缆。光纤Bragg光栅通常写于普通单模通讯光纤上, 其质地脆, 易断裂, 为适应土木工程施工粗放性的特点, 在将其作为传感器测量建筑结构应变时,应采取适当保护措施。

  一种可行的方案是:在钢筋笼中布置好混凝土应变传感器的光纤线路后, 将混凝土应变传感器用铁丝等按照预定位置固定在钢筋笼中, 然后将中间段用纱布缠绕并用胶带固定。而对粘贴式钢筋应变传感器一般则用外涂胶层进行保护。

  2003年9月,上海紫珊光电技术有限公司自主研发的光纤光栅传感应变计埋设于混凝土中对北京中关村某标志性建筑进行静态应变测量。上海紫珊光电技术有限公司自主研发的光线光栅应变计具有精度高(一般为1με,如果是小量程的应变测量,可以达到0.5με)、可靠性高、安装方式多样、使用方便等优点,成功应用于北京中关村某标志性建筑中,布设在钢梁上并埋设在混凝土中对支柱钢梁进行施工过程监测。

  埋入混凝土前

  埋入混凝土后

  (3)在水位遥测中的应用

  在光纤光栅技术平台上研制出的高精度光学水位传感器专门用于江河、湖泊以及排污系统水位的测量。传感器的精度可以到达±0.1%F·S。光纤安装在传感器内部,由于光纤纤芯折射率的周期性变化形成了FBG,并反射符合布拉格条件的某一波长的光信号。当FBG与弹性膜片或其它设备连接在一起时,水位的变化会拉伸或压缩FBG。而且,反射波长会随着折射率周期性变化而发生变化。那么,根据反射波长的偏移就可以监测出水位的变化。

  (4)在公路健康检测中的应用

  公路健康监测必要性:

  交通是与人们息息相关的事情,同样也是制约城市发展的主要因素,可以说交通的好坏可以直接决定一个城市的发展命运。每年国家都要投入大量资金用在公路修建以及维护上,其中维护费用占据了很大一部分。即便是这样,每年仍然有大量公路遭到破坏,公路的早期损坏已成为影响高速公路使用功能的发挥和诱发交通事故的一大病害。,而破坏一般都是因为汽车超载,超速以及自然原因引起的,并且也和公路修建的质量有很大关系。所以在公路施工过程以及使用过程中进行健康检测是非常有必要的。现在的公路一般分三层进行施工,分为底基层、普通层和沥青层,在施工过程中埋入温度以及应变传感器可以及时得到温度以及应变的变化情况,对公路质量进行实时监控。详细了解施工材料的特点以及影响施工质量的因素。

  传感器设计方案:

  由于公路施工过程中条件比较恶劣,主要问题有以下几点:

  1. 在沥青层铺设过程中温度可达160℃。

  2. 在施工过程中,每层受到的压力达20t 以上。

  3. 由于沥青层随着环境温度变化,其强度变化明显。传感器需要能真实反映沥青层应变。所以传感器在埋入过程中的成活率是最关键的问题。

  首先为了解决高温的问题,传感器本身采用不锈钢材料封装,尾纤采用抗高温铠装光缆。为了使传感器在强压力下仍然能继续工作,并且和沥青层比较好的配合,能真实反映沥青层挠度,设计传感器外形的时候可以采用增加沥青层与传感器的接触面积。

  H 形FBGS-H 沥青计

  装配图与实物图如下:

  圆型FBGS-O 沥青计

  装配图与实物图如下:

  这样,在城市交通要道以及高速公路监测点埋入传感器,组建公路监测系统,统一监控。在数据处理方面进行研究,除了能监测公路健康状况,还可实现车流量统计,对公路上超速超载情况进行监测等功能。

  2、航空航天中的应用

  智能材料与结构的研究起源于20世纪80年代的航空航天领域。1979年,美国国家宇航局(NASA)创始了一项光纤机敏结构与蒙皮计划,首次将光纤传感器埋入先进聚合物复合材料蒙皮中,用以监控复合材料应变与温度。

  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)。

  另外,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,尺寸尽量小,因此最灵巧的光纤光栅传感器是最好的选择。另外,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。

  美国国家航空和宇宙航行局对光纤光栅传感器的应用非常重视, 他们在航天飞机X-33上安装了测量应变和温度的光纤光栅传感网络, 对航天飞机进行实时的健康监测。X-33是一架原型机, 设计用来作“国际空间站”的往返飞行。

  BlueRoadResearch 联合美国海军空战中心和波音幻影工作组, 使用B IueRoadResearch 生产的光纤光栅传感器对飞机的粘和接头完好性进行了评估。以前这种评估所常用的方法, 如超声波和X 射线, 非常耗时而且信号难以处理。美国海军研究实验室将光纤光栅传感器固定在飞机轻型天线反射器的不同位置, 测量纵向应变、弯曲和扭矩。

  3、船舶航运业中的应用

  (1)船舶结构健康监测系统

  美国海军实验室对光纤光栅传感技术非常重视,已开发出用于多点应力测量的光纤光栅传感技术,这些结构包括桥梁、大坝、船体甲板、太空船和飞机。在美国海军的资助下,开发有船舶结构健康监测系统,已制成用于美国海军舰队结构健康监测的低成本光纤网络,这个系统基于商用光纤光栅和通信技术;拟采用光纤光栅传感技术和混合空间/波分复用技术实时测量拖拽阵列的三维形状,这种技术对阵列测量的改善将超过现有阵列估算技术一个数量级,从而可增强海军的战术优势。

  1999年春,美国海军研究实验室(Naval Research Laboratory, NRL)光纤灵巧结构部的Michael Todd等人用光纤传感系统对KNM Skjold 快速巡逻艇进行智能监测。

  1.56个光纤光栅传感器(FBG)

  2.安装在内壳和喷水推进器上

  3.实时局部应变监测和整船负载量的监测

  1.分辨率高,无电磁干扰

  2.保持原有结构不被破坏

  3.同时实现自动的遥感遥测

  监测喷水推进器的示意图:

  (2)全光纤舰船传感系统

  2002,2 美国海军研究中心(Navy office of Naval Research)和海上战争中心(Naval Surface Warfare Center, Carderock Division)在英国皇家RV Triton舰船上安装了光纤传感系统对其进行舰船结构健康监测。SPA安装了自己的舰船监测系统和超过50个FBG传感器安装在舰壳上,同时存在电传感器以验证它的精度和性能。这个测试系统伴随RV Triton在海上2个星期的海上航行测试,最后数据被NSWCCD 和 SPA分析,以指导RV Triton的工程改进。同时美国也非常有兴趣将该传感系统用在Trimaran(三舰并列)技术的发展中。

  1.50个FBG传感器测应变

  2.2个Flat-Pack传感器,包含两个FBG,可同时测温度和应变

  3.安装在舰壳上

  4.SPA的高速传感器查询技术

  各种FBG传感器的分布:

  2000,6,25 DavidsonInstruments宣布为美国海军开发全光纤舰船传感系统。美国海军正在研究21世纪水面战斗舰船。这些舰船包括按DD21设计的登陆攻击驱逐舰,也包括按CG-21设计的巡洋舰。2002,7,10 DavidsonInstruments已经宣布完成了该项目,其结果数据被用于舰船的制造和改进提供参考。同时这个全光纤的传感系统可以抵抗核武器的冲击波效应。

  (3)驳船健康监测系统

  美国海上战争中心(Naval Surface Warfare Center, Carderock Division)对美国海军的接合标准模驳船系统JMLS进行结构监测。用4个通道共16个FBG传感器,其中14应变传感器和2个Flat-Pack传感器(包含两个FBG,可同时测量温度和应变),和SPA的舰船健康监测系统。

  (4)发射系统环境监测系统

  美国海上战争中心Naval Surface Warfare Center,Port Hueneme Division正在开发自己的光纤传感测试系统以用于长期的监测以决定表面舰船垂直发射系统(VLS)和导弹发射的操作环境。因为导弹等发射物的健康状况会受到震动冲击,高热和湿度的影星,必须对其进行定期的检测。在这个测试系统中,测量的物理量包括温度,应变,压力,加速度和湿度。

  1.测量物理量:

  温度

  应变

  压力

  加速度

  湿度

  2.基于FBG的各种传感器

  3.SPA的高速光纤传感查询系统

  (5)舰船FBG传感器网络

  2002,4挪威国防研究所的Karianne等人,在两个舰船上建立了FBG传感器网络,50个传感器分布在舰船的壳上,测量它的应力分布,最后用有限元的方法分析其受力模型。这样可以通过监测和限制壳上的应力分布,增加舰船的安全性和使用寿命。其中还包括一个Micron Optics的可调谐F-P滤波器和一个OptoSpeed的超发光二极管,一个新封装设计以增加传感器使用寿命。

  (6)舰船推进器光纤传感系统

  美国海军水面战斗中心Naval Surface Warfare Center,Carderock Division在登陆平台船坞LPD17上的舰船推进器上完成了光纤传感系统,其中包使用了FBG传感器阵列和Flat-Pack,具有高速和高传感器密度的功能特点,同时运用了SPA的基于高速传感器查询系统的数字空间波长复用器。为了验证这个推进器的设计,4个通道24个传感器被用于测试,21个应变传感器,3个温度传感器,取样频率2KHz。

  1.FBG传感器阵列和Flat-Pack

  2.21个测应变

  3.3个测温度

  4.SPA的数字空间波长复用器

  5.取样频率2KHz

  (7)舰船结构光纤传感系统

  1.120个离散分布的FBG传感器

  2.测量舰船的应变和应力

  3.自己的驱动软件控制系统

  4.在线,实时的显示结构的响应和变形

  5.实时监测和远程监测,相对 低的成本

  1999,10 在美国海军实验室的资助下,Systems Planning and Analysis Inc.制作了一个低成本的,用于监测美国海军舰船的结构和理性的光纤网络。在这个系统中,通过分布在舰船外壳上的传感点,可以实时的计算和报告舰船在海洋中作业时的受力情况。这个远程监测技术能够为舰船的设计的修改和升级提供指导,同时对舰船的完整性有预警功能。

  (8)声纳传感系统

  目前,声纳传感器已被各国海军特别关注。在实际应用中,拖拽声纳阵列是由一串包含有水听器的模块组成的,其中水听器可以确定水下噪声源的位置。这样每个声纳模块相对声音噪声的位置决定了辨别噪声源的准确性。电子传感器虽然已经在上面领域被应用,但由于其自身存在的问题,这样随着全光纤拖拽声纳系统的发展,用一个光的方法来精确的测量阵列上的各个水听器的位置就显得非常的必要。Fiber Bragg grating(FBG)传感器对于这种需要分布式形貌测量的应用是非常的理想的。SPA已经用FBG传感器开发了一个相对成本低的,光拖拽阵列形貌和位置测量系统,克服了许多当前的缺点。用软硬件相结合的方法实时的分解和显示了阵列和柔软结构的变形。同时这个系统是基于Micron Optics的FBG解调系统的。

  1.用自己的软件,数据采集和数据处理算法集成了Micron Optics的FBG-SLI系统

  2.开发了将FBG传感器埋入聚合物软管和多芯线缆的制造生产过程

  3.开发了应变到形貌的算法,实现通过分布式应变测量得出柔软结构的形貌。

  4、石化工业中的应用

  工厂的电磁环境和周围空气中带有的诸如重金属、化合物、燃化油蒸汽等物质,不利于常规电式传感器和仪器的工作。由于独特的电绝缘性赋予光纤传感器的抗电磁干扰能力(EMI),和在易燃易爆场合的本征安全性,以及快速响应和对腐蚀液体的抗拒性,光纤传感器适用于工厂的工作环境。尤其在属于易燃易爆领域的石化工业,光纤光栅传感器因其本质安全性非常适合在石油化工领域中的应用。

  由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀等优点,因此,可以替代传统的电传感器广泛应用在海洋石油平台上及油田、煤田中探测储量和地层情况。内置于细钢管中的光纤光栅传感器可用作海上钻探平台的管道或管子温度及延展测量的光缆。采用FBG传感系统可以对长距离油气管道实行分布式实时的在线监测。Sp irin等人设计了一种用于漏油监测的FBG传感器。他们将FBG封装在聚合物丁基合成橡胶中,这种聚合物具有良好的遇油膨胀特性,当管道或储油罐漏油后,传感器被石油浸泡,聚合物膨胀拉伸光纤光栅,使光栅中心波长漂移,通过监测这个漂移达到报警目的。在室温下,该系统在20min内波长漂移量大于2 nm,大大超过了环镜温度变化可能引入的波长漂移(0.5nm)。

  除此之外,还有一种利用温度变化监测管道泄漏的方法。

  管道泄露监测原理图:

  超远距离管道监测方案简图:

  施工现场图:

  5、电力工业中的应用

  电力工业中的设备大多处在强电磁场中,一般电器类传感器无法使用。高压开关的在线监测,高压变压器绕组、发电机定子等地方的温度和位移等参数的实时检测都要求绝缘性能好,体积小。光纤光栅具有的抗电磁干扰和它的安全性能恰恰能满足在这种环境条件下使用。

  在强电磁环境中,关键基础用电设备的安全运行是企业生产的必要保障,也是整个国民经济正常运转的基本保证。电气设备产生故障的大部分原因是设备过热引起的,主要可以分为外部热故障和内部热故障。电气设备的外部热故障主要指裸露接头由于压接不良等原因,在大电流作用下,接头温度升高,接触点氧化引起接触电阻增大,恶性循环造成隐患。此类故障占外部热故障的90%以上。统计近几年来检测到的外部热故障的几千个数据,可以发现线夹和刀闸触头的热故障占整个外部热故障的77%,它们的平均温升约在30度左右,其它外部接头的平均温升在20-25度之间。

  根据对电力事故分析,电缆故障引起的火灾导致大面积电缆烧损,造成被迫停机,短时间内无法恢复生产,造成重大经济损失。通过事故的分析,引起电缆沟内火灾发生的直接原因是电缆中间头制作质量不良、压接头不紧、接触电阻过大,长期运行所造成的电缆头过热烧穿绝缘,最后导致电缆沟内火灾的发生。

  从电缆头或变电设备的过热到事故的发生,其发展速度比较缓慢、时间较长,通过电缆/设备温度在线监测系统完全可以防止、杜绝此类事故的发生。

  温度监测的主要目标设备:

  在电力工业中,电流转换器可把电流变化转化为电压变化,电压变化可使压电陶瓷(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,进而测知电流强度。这是一种较为廉价的方法,并且不需要复杂的电隔离。另外,由大雪等对电线施加的过量的压力可能会引发危险事件,因此在线检测电线压力非常重要,特别是对于那些不易检测到的山区电线。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,这一应力变化即可被粘于金属板上的光纤光栅传感器探测到。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,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。

  6、核工业中的应用

  核工业是个高辐射的地方,核泄漏对人类是一个极大的威胁, 贝尔格利核电站泄漏的影响至今还没有消除,因此对于核电站的安全检测是非常重要的。由于核装置的老化,需要更多的维护和修理,最终必须被拆除,所有这些都不能在设计时预见,因此需要更多的传感器以便遥控设备,处理不确定情况。同时核废料的管理也变得越来越重要,需要有监测网络来监视核废料站的状况,对监视网络长期稳定的要求也是前所未有的。

  比利时核研究中心对光纤光栅传感器用于核工业的可行性进行了研究,他们实验测量了各种商用光纤光栅对C辐射的敏感性。他们的研究结果是:光纤光栅的温度敏感系数在3 % 的精度内不受C辐射影响;布喇格反射波的幅度和宽度在C辐射下没有变化;布喇格波长在C辐射下变化不大于25 pm ,并且C辐射剂量达到0.1M Gy 时,波长变化饱和。他们认为: 光纤光栅温度传感器可能在C辐射水平为1M Gy 的环境中保持所需要的性能,并且可以通过优化光纤光栅的参数减小C辐射敏感性。他们还研究了光纤光栅对中子辐射的敏感性,发现光纤载氢不仅可以增强光敏性,也会增加对离化辐射的敏感性。

  日本核能研究院1999年4月~2000年3月的年度报告中提到, 他们正在日本材料测试反应堆,通过辐射环境测试确保光纤光栅用于核电厂设备和管道的传感, 并能在几乎整个反应堆寿命期间忍耐核辐射

  核电站的反应堆建筑或外壳结构是很厚的钢或钢筋混凝土地板和墙, 是设计用于防止核泄漏的最后防护屏障, 它们所承受的压力对于900MW 核电站的单层壳体是12×105 Pa 对于1300MW 核电站的双层壳体是9×105 Pa。使用静态分布式光纤光栅传感系统进行遥测将极大地增强可靠性、安全性、并减少维护费用。1995 年, 法国的CEA 2L ET I、EDF 和F ram atom e就开始了一个联合计划发展布喇格光栅变形测量仪用于核电厂的混凝土测量。他们将光纤光栅传感器安在核壳体表面或埋入核壳体中, 对高性能预应力混凝土核壳大墙进行监测。

  在增压水反应堆核电站中, 水被用来吸收热但不沸腾, 因为水被保持在高压中, 在热—机械循环中管道和接头会发生老化, 因此早期泄漏探测是一个重要的课题。核反应堆水管的泄漏和破裂是非常危险的,极端情况下会使核反应堆熔化造成和泄漏。1996 年初, 由英国B ICC Cable Ltd牵头的一个联盟开展了一个为期3 年的B rite 计划, 旨在开发一种具有完善温度补偿的分布式静态监测系统, 此系统能复用多个光纤光栅应变传感器对高温部件(~ 550 ℃) 进行实时寿命预测。

  高辐射的核废料必须储藏在地下很长时间。德国将研究用布喇格光栅传感器监测地下核废料堆中的应变和温度。

  7、医学中的应用

  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。近年来,使用高频电流、微波辐射和激光进行热疗以代替外科手术越来越受到医学界的关注,而且传感器的小尺寸在医学应用中是非常重要的,因为小的尺寸对人体组织的伤害较小,而光纤光栅传感器正是目前为止能够做到的最小的传感器。它能够通过最小限度的侵害方式测量人体组织内部的温度、压力、声波场的精确局部信息。到目前为止,光纤光栅传感系统已经成功地检测了病变组织的温度和超声波场,在30℃~60℃的范围内,获得了分辨率为0.1℃和精确度为±0.2℃的测量结果,而超声场的测量分辨率为10-3atm/Hz1/2,这为研究病变组织提供了有用的信息。光纤光栅传感器还可用来测量心脏的效率。在这种方法中,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。

  巴西的W ehrle 等人用弹性胶带将光纤光栅应变传感器固定在病人的胸部, 通过胸腔的变化, 测量呼吸过程的频谱。这种测量可用在电致人工呼吸中,这时病人胸部装有高压电极, 通过高压放电刺激隔膜神经帮助病人呼吸。用光纤光栅传感器控制高压放电的触发, 监视病人呼吸情况, 有利于改善电致人工呼吸的效果。如果用常规的电类传感器会受到高压放电的干扰。

  新加坡总医院将南洋理工大学生物医学工程研究中心研制的一种光纤光栅压力传感器用于外科校正, 以便帮助医生监视患者的健康。埋有光纤光栅阵列的脚压传感垫配以绘图设备可以绘出外科校正压力的空间图形, 能用于监视患者站立时的脚底压力分布。

  8、其它应用

  除上述应用外, 光纤光栅传感器还在其他领域得到了应用, 如:

  (1) 利用在晶体材料中, 不同的温度会引起荧光延迟时间的不同这一原理制作的分点探测传感器广泛应用于工业与医药;

  (2)光纤层析成像技术, 根据不同的原理和应用场合, 可分为光相干层析成像分析(OCT)和光过程层析成像分析技术(OPT);

  (3)光纤陀螺及惯性导航系统,美国Honeywell 公司为美国军方制造的用于直升机的三轴惯导系统直径仅为86mm,日本Mitsubishi Precision 公司和空间及宇航所为日本M-V火箭系统设计制造了惯导系统。

  总之, 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。

  四、现状与展望

  光纤光栅传感技术之所以如此受到重视并获得极为迅速发展的原因是:微型计算机的普及、信息处理技术的飞速发展,形成了推动获得信息的传感器技术发展的动力;广阔的市场与社会需求是传感器技术发展的又一强劲推动力。

  我国对光纤光栅传感器的研究相对晚一些, 目前我国的光纤传感器的产业化和大规模推广应用方面还远不能满足国名经济发展的需求。因此,近期的光纤传感技术研究和产业化特点是以成熟的光纤通信技术向光纤传感技术转化为重点,目前对光纤光栅传感器的研究方向主要有三个方面:

  1、对传感器本身及进行横向应变感测和高灵敏度、高分辨率、且能同时感测应变和温度变化的传感器研究;

  2、对光栅反射信号或透射信号分析和测试系统的研究,目标是开发低成本、小型化、可靠且灵敏的探测技术;

  3、对光纤光栅传感器的实际应用研究,包括封装技术、温度补偿技术、传感器网络技术。

  4,开展各应用领域的专业化成套传感技术的研发,如航空航天、航海、土木工程、医学和生物、电力工业、核工业及化学和环境等。

  目前限制光纤光栅传感器应用的最主要障碍是传感信号的解调, 正在研究的解调方法很多, 但能够实际应用的解调产品并不多, 且价格较高。其次, 光纤光栅传感器应用中的其他问题也非常重要, 如:

  (1)由于光源带宽有限, 而应用中一般要求光栅的反射谱不能重叠, 因此可复用光栅的数目受到限制;

  (2)如何实现在复合材料中同时测量多轴向的应变,以再现被测体的多轴向应变形貌;

  (3) 如何实现大范围、高精度、快速实时测量;

  (4)如何正确地分辨光栅波长变化是由温度变化引起的还是由应力产生的应变引起的等。

  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。美国、德国、加拿大、英国等都在致力于新型光纤光栅传感器及解调系统的研究。

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