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光纖光柵傳感技術的研究現狀 光纖傳感技術是隨著光纖通信技術而發展起來的。光纖應用于傳感領域，主要分為傳感型與傳光型兩大類。傳光型光纖傳感器是借助其它敏感元件測得物理量后，由光纖進行數據傳輸，一般在光纖端面或兩光纖之間設置敏感元件，利用敏感元件的光強、透射率、反射率、發光時間、相位及熱輻射功能來實現信息檢測。傳感型光纖傳感器是利用外界因素改變光纖中光的相位、強度、波長或偏振態，從而對外界環境變化進行計量和數據傳輸。 光纖光柵屬于傳感型的光纖傳感器，它可用于應力、位移、溫度或應變等物理量的測量，并且具有很高的靈敏度和較大的測量范圍，可長期使用。目前國內許多著名高校在光纖光柵傳感器應用研究方面做了大量的研究工作，取得了很多優異成績，推動了光纖光柵產業化的發展。 由于光纖本身由絕緣材料制成，由光纖光柵制作的傳感器可以工作在強電磁場、強腐蝕性以及易燃易爆危險性高等惡劣環境中，光纖光柵傳感器突出的優點使之比其它傳感器具有更大的應用范圍。近年來，隨著光電技術的不斷發展以及核心光電元件成本的降低，光纖光柵傳感器的研究將表現出更大的應用價值。 國外已經出現了大量的光纖光柵傳感器的研究成果。美國、英國和加拿大等西方國家以及亞洲的韓國、日本利用它們在光通信領域的優勢和資金的投入，因而處在光纖光柵傳感領域的領先地位，相關的研究機構包括美國的海軍實驗室(NRL)、Micron Optics 公司，Blue Road Research 公司，英國的 City 大學、Kent 大學、Smart Fibers 公司，韓國的國家光子研究中心和加拿大的 Photonics Research 公司等。應用領域涉及到航天器、電力工業、7醫學、化學及結構健康監測等方面。 國內對光纖傳感器的研究起步相對較晚，但在國家自然基金等國家基金以及其他專項基金的資助下，光纖光柵傳感的應用研究也取得了很多成果。清華大學、中科院半導體所、上海光機所、吉林大學對光纖的光敏性、成柵機理、光波傳輸規律等問題進行了深入研究，武漢理工大學、南開大學、西安石油大學、重慶大學對光纖光柵傳感的關鍵技術進行了研究。除此之外，一些公司也加入了研究隊伍，如深圳朗科公司、北京菲博特公司、上海紫珊光電公司等公司作了各有特色的研究。 光纖光柵傳感新技術的出現增強了傳感器的實用性，除了眾所周知的優點外，如抗電磁干擾，體積小，耐腐蝕性好，長期穩定性好，還有更多基于已確定的新型傳感機制基礎上的優勢，例如絕對測量，成本低和獨特的波長復用能力。這些新的傳感技術已經形成了全新一代傳感器，為許多重要的測量提供了機會和巨大的應用潛力，如在電力、石油、工程結構健康監測、航空航天、生物、國防、環境保護等領域得到了廣泛的應用。 （1）電力工業中的應用 電力工業中的設備大都處在強電磁場、高電壓的環境中, 如高壓變壓器繞組、高壓開關的在線監測，發電機定子地方的溫度和位移的測量，一般電類傳感器無法在現場使用。又如大雪造成的電力線超重，這樣的機械負載可能會導致嚴重的事故，特別是線路在偏僻的或荒涼的山區，那里沒有人檢查，很不方便。因此，在線測量系統監測電力線的負荷變化非常必要。這些地方的測量要求傳感器具有很好的絕緣性能、體積要小、抗電磁干擾，而且是無源器件，因而光纖光柵傳感器成為這些測量的最佳選擇。Hammon 等人把光纖光柵傳感器應用到高壓變壓器的繞組溫度監測中，經長時間使用證明了光纖光柵傳感器具有很好的測量精度。Ogawa 等人將緊貼光纖光柵的金屬板固定在電纜上，荷載變化引起的應變經金屬板傳遞到傳感器，這樣就可有效檢測到電纜的應變情況，他們在 3 千米長的電纜上安置了多個光纖光柵，然后運用波分復用技術對多個光柵進行解調。 （2）石油化工業中的應用 光纖光柵其固有的優勢，如不受電磁干擾，高溫下測量，復用能力，使之成為石油和天然氣行業理想的應用。在光纖光柵的眾多優點當中，多路復用和準分布式傳感功能對于井下許多監測空間位置的一個或多個參數必須通過井下測量的應用尤其重要。在石油和天然氣行業，光柵的主要應用集中于遙感，參數測量范圍廣，如壓力、溫度、振動、流量、聲場，永久性安裝的石油和天然氣井下油藏監測系統。近年來已經取得了很多重大進展，特別是在壓力和溫度測量，例如為了測量井下的壓力、溫度和流量，對于典型的溫度測量范圍為150℃至 250℃這樣的高溫環境，運用傳統的電子儀表會遇到很多問題，特別是縮短了電子儀表的使用壽命。硅微機械諧振傳感器的出現解決這個問題，使用單模光纖同時 用于微共振器的光激發和微共振器的共振頻率測量，用一個和壓力傳感探頭類似結構的溫度傳感器補償溫度變化造成的壓力誤差。 （3）工程結構健康監測中的應用 水壩可能是最大的土木工程結構，為了確保施工質量、長期使用和大壩的安全性，在施工期間或修建完成后對水壩的力學參數的監測是至關重要的。光纖光柵首次應用于大型結構的監測是在采用碳纖維復合材料代替鋼筋結構來解決公路橋嚴重的腐蝕問題，由于復合材料替代鋼筋在混凝土結構中還沒有得到很好的證明，采用光纖光柵傳感系統監測復合材料結構，可以觀察到橋梁的應變或變形、溫度、環境退化等狀況。 （4）航空工業中的應用 目前先進復合材料一般用于制造業，如航空航天工程結構（如飛機機翼部件），與金屬材料相比，先進復合材料可以具有較高的耐疲勞性，重量更輕，強度重量之比更高，形狀多變，無腐蝕。因此，使用嵌入光纖光柵復合材料的系統可減少機器的重量，檢查的時間間隔，以及飛機維修成本，從而改善飛機的性能。然而，實現實時健康監測和構建傳感器網絡是目前主要的挑戰，準分布式光纖光柵傳感系統解決了這方面的難題。由于光纖光柵傳感器對應變和溫度是同時敏感的，在連續測量溫度和應變的時候，必須校正溫度引起的應變，一個簡單而有效的方法通常是采用不受應變影響的溫度參考光柵，但這種方法并不適合于所有情況，例如，嵌入在復合材料中的光纖光柵傳感器。目前已有多種方法來區分溫度和應變，從而實現應變和溫度的同時測量。 光纖光柵解調系統設計 傳感技術依賴于載波信號到調制載波的轉換，其中載波攜帶了激勵的被測量信息，因此光纖光柵傳感系統一般包含了以下3 個環節：光調制過程都可以歸結為將一個被測信號量疊加到光波上；調制器能使描述光波光學性能的參數（相位、強度、頻率、偏振或波長）隨外加信號的變化而變化；承載信息的光波在光纖中傳輸，由光探測器接收后檢測出所需要的信息。在實驗室里，光譜儀、單色儀是檢測光纖光柵波長偏移的常用手段，但這些設備的價格通常非常昂貴、體積龐大，而且大多是從國外進口，在工業現場使用起來很不方便，為了開發簡單可靠的解調系統，國內外相關研究機構和學者針對不同的應用范圍提出了多種解調方法，就目前的研究和應用來看，光纖光柵的波長解調技術主要有可調F-P(Fabry-Perot)濾波器解調法、非平衡 M-Z 干涉法、邊緣濾波器法、可調諧波長激光器法以及光纖光柵匹配法等。 |
