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光纤光栅传感技术的研究现状

2016-12-05 人阅读

光纤传感技术是随着光纤通信技术而发展起来的。光纤应用于传感领域,主要分为传感型与传光型两大类。传光型光纤传感器是借助其它敏感元件测得物理量后,由光纤进行数据传输,一般在光纤端面或两光纤之间设置敏感元件,利用敏感元件的光强、透射率、反射率、发光时间、相位及热辐射功能来实现信息检测。传感型光纤传感器是利用外界因素改变光纤中光的相位、强度、波长或偏振态,从而对外界环境变化进行计量和数据传输。

光纤光栅属于传感型的光纤传感器,它可用于应力、位移、温度或应变等物理量的测量,并且具有很高的灵敏度和较大的测量范围,可长期使用。目前国内许多著名高校在光纤光栅传感器应用研究方面做了大量的研究工作,取得了很多优异成绩,推动了光纤光栅产业化的发展。

由于光纤本身由绝缘材料制成,由光纤光栅制作的传感器可以工作在强电磁场、强腐蚀性以及易燃易爆危险性高等恶劣环境中,光纤光栅传感器突出的优点使之比其它传感器具有更大的应用范围。近年来,随着光电技术的不断发展以及核心光电元件成本的降低,光纤光栅传感器的研究将表现出更大的应用价值。

国外已经出现了大量的光纤光栅传感器的研究成果。美国、英国和加拿大等西方国家以及亚洲的韩国、日本利用它们在光通信领域的优势和资金的投入,因而处在光纤光栅传感领域的领先地位,相关的研究机构包括美国的海军实验室(NRL)、Micron Optics 公司,Blue Road Research 公司,英国的 City 大学、Kent 大学、Smart Fibers 公司,韩国的国家光子研究中心和加拿大的 Photonics Research 公司等。应用领域涉及到航天器、电力工业、7医学、化学及结构健康监测等方面。

国内对光纤传感器的研究起步相对较晚,但在国家自然基金等国家基金以及其他专项基金的资助下,光纤光栅传感的应用研究也取得了很多成果。清华大学、中科院半导体所、上海光机所、吉林大学对光纤的光敏性、成栅机理、光波传输规律等问题进行了深入研究,武汉理工大学、南开大学、西安石油大学、重庆大学对光纤光栅传感的关键技术进行了研究。除此之外,一些公司也加入了研究队伍,如深圳朗科公司、北京菲博特公司、上海紫珊光电公司等公司作了各有特色的研究。

光纤光栅传感新技术的出现增强了传感器的实用性,除了众所周知的优点外,如抗电磁干扰,体积小,耐腐蚀性好,长期稳定性好,还有更多基于已确定的新型传感机制基础上的优势,例如绝对测量,成本低和独特的波长复用能力。这些新的传感技术已经形成了全新一代传感器,为许多重要的测量提供了机会和巨大的应用潜力,如在电力、石油、工程结构健康监测、航空航天、生物、国防、环境保护等领域得到了广泛的应用。

(1)电力工业中的应用

电力工业中的设备大都处在强电磁场、高电压的环境中, 如高压变压器绕组、高压开关的在线监测,发电机定子地方的温度和位移的测量,一般电类传感器无法在现场使用。又如大雪造成的电力线超重,这样的机械负载可能会导致严重的事故,特别是线路在偏僻的或荒凉的山区,那里没有人检查,很不方便。因此,在线测量系统监测电力线的负荷变化非常必要。这些地方的测量要求传感器具有很好的绝缘性能、体积要小、抗电磁干扰,而且是无源器件,因而光纤光栅传感器成为这些测量的最佳选择。Hammon 等人把光纤光栅传感器应用到高压变压器的绕组温度监测中,经长时间使用证明了光纤光栅传感器具有很好的测量精度。Ogawa 等人将紧贴光纤光栅的金属板固定在电缆上,荷载变化引起的应变经金属板传递到传感器,这样就可有效检测到电缆的应变情况,他们在 3 千米长的电缆上安置了多个光纤光栅,然后运用波分复用技术对多个光栅进行解调。

(2)石油化工业中的应用

光纤光栅其固有的优势,如不受电磁干扰,高温下测量,复用能力,使之成为石油和天然气行业理想的应用。在光纤光栅的众多优点当中,多路复用和准分布式传感功能对于井下许多监测空间位置的一个或多个参数必须通过井下测量的应用尤其重要。在石油和天然气行业,光栅的主要应用集中于遥感,参数测量范围广,如压力、温度、振动、流量、声场,永久性安装的石油和天然气井下油藏监测系统。近年来已经取得了很多重大进展,特别是在压力和温度测量,例如为了测量井下的压力、温度和流量,对于典型的温度测量范围为150℃至 250℃这样的高温环境,运用传统的电子仪表会遇到很多问题,特别是缩短了电子仪表的使用寿命。硅微机械谐振传感器的出现解决这个问题,使用单模光纤同时

用于微共振器的光激发和微共振器的共振频率测量,用一个和压力传感探头类似结构的温度传感器补偿温度变化造成的压力误差。

(3)工程结构健康监测中的应用

水坝可能是最大的土木工程结构,为了确保施工质量、长期使用和大坝的安全性,在施工期间或修建完成后对水坝的力学参数的监测是至关重要的。光纤光栅首次应用于大型结构的监测是在采用碳纤维复合材料代替钢筋结构来解决公路桥严重的腐蚀问题,由于复合材料替代钢筋在混凝土结构中还没有得到很好的证明,采用光纤光栅传感系统监测复合材料结构,可以观察到桥梁的应变或变形、温度、环境退化等状况。

(4)航空工业中的应用

目前先进复合材料一般用于制造业,如航空航天工程结构(如飞机机翼部件),与金属材料相比,先进复合材料可以具有较高的耐疲劳性,重量更轻,强度重量之比更高,形状多变,无腐蚀。因此,使用嵌入光纤光栅复合材料的系统可减少机器的重量,检查的时间间隔,以及飞机维修成本,从而改善飞机的性能。然而,实现实时健康监测和构建传感器网络是目前主要的挑战,准分布式光纤光栅传感系统解决了这方面的难题。由于光纤光栅传感器对应变和温度是同时敏感的,在连续测量温度和应变的时候,必须校正温度引起的应变,一个简单而有效的方法通常是采用不受应变影响的温度参考光栅,但这种方法并不适合于所有情况,例如,嵌入在复合材料中的光纤光栅传感器。目前已有多种方法来区分温度和应变,从而实现应变和温度的同时测量。

光纤光栅解调系统设计

传感技术依赖于载波信号到调制载波的转换,其中载波携带了激励的被测量信息,因此光纤光栅传感系统一般包含了以下3 个环节:光调制过程都可以归结为将一个被测信号量叠加到光波上;调制器能使描述光波光学性能的参数(相位、强度、频率、偏振或波长)随外加信号的变化而变化;承载信息的光波在光纤中传输,由光探测器接收后检测出所需要的信息。在实验室里,光谱仪、单色仪是检测光纤光栅波长偏移的常用手段,但这些设备的价格通常非常昂贵、体积庞大,而且大多是从国外进口,在工业现场使用起来很不方便,为了开发简单可靠的解调系统,国内外相关研究机构和学者针对不同的应用范围提出了多种解调方法,就目前的研究和应用来看,光纤光栅的波长解调技术主要有可调F-P(Fabry-Perot)滤波器解调法、非平衡 M-Z 干涉法、边缘滤波器法、可调谐波长激光器法以及光纤光栅匹配法等。

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