光纤光栅传感器技术及其工程的应用

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12月01日, 2024

光纤光栅传感器技术及其工程的应用(图1)

1、在地球动力学中的应用
　　在地震检验测试等地球动力学领域中，地表骤变等情况的原理及其危险性的估定和预测是非常复杂的，而火山区的应力和温度（℃）改变是目前为止能够揭示火山活动性及其关键活动界限演变的*有效手段心。光纤光栅传感器在这一领域中的应用主要是在岩石变形、垂直震波的检验测试以及作为地形检波器和光学地震仪使用等方面。活动区的应变通常含有静态和动态两种，静态应变（含有概括由火山产生的静态变形等）一般全部定位于与地质变形源很近的距离；而以震源的震波为代表的动态应变则能够在与震源较远的地球周边环境中检验测试到。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完成远距离和密集排列复用传感的宽带、高互联网化传感器，符合地震检验测试等的要求，因此它在地球动力学领域中无疑设定有较大的潜在用途。有报道指出，光纤光栅传感器已成功检验测试了频率为0.1-2Hz，大小为10-9ε（应变）的岩石和地表动态应变。
2、在航天器及船舶中的应用
　　先进的复合材料抗疲劳、抗腐蚀功能良好，而而且可以减轻船体或航天器的重量（kg），对于快速航运或飞行设定有重要意义，因此复合材料越来越多地被用来制造航空航海工量具（如飞机的机翼）。
　　为全面衡量船体的状况，需要理解其不一样部位的变形力矩、剪切压力、甲板所受的抨击力，对于普通船体大约需要100个传感器，因此波长复用能力极强的光纤光栅传感器*适合于船体检验测试。光纤光栅传感系统可测量船体的弯曲应力，而而且可测量海浪对湿甲板的抨击力。设定有干涉探测功能的16路光纤光栅复用系统成功完成了在带宽为5kHz界限内、分辨率小于10nε/（Hz）1/2的动态应变测量。
　　--为了监测一架飞行器的应变、温度（℃）、振动、起落驾驶状态、超声波场和加快速度度情况，通常需要100多个传感器，故传感器的重量（kg）要尽量轻，尺寸尽量小，因此*灵巧的光纤光栅传感器是*好的选用。--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完成多点多轴向应变和温度（℃）测量的理想智能元件。
3、在民用工程构造中的应用
　　民用工程的构造监测是光纤光栅传感器*活跃的领域。力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和状况监测是非常重要的。经过测量上述构造的应变分布，可以预知构造局部的荷载量及状况。光纤光栅传感器可以贴在构造的表面或预先埋入构造中，对构造同时实行冲击检验测试、形状控制和振动阻尼检验测试等，以监视构造的缺陷情况。--多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感互联网，对构造实行准分布式检验测试，可以用计算机数值对传感信号实行远程控制。
　　光纤光栅传感器可以检验测试的建筑构造之一为桥梁。应用时，一组光纤光栅被粘于桥梁复合筋的表面，或在梁的表面开一个小凹槽，使光栅的裸纤芯部分嵌进凹槽得以保护。如果需要更加完善的保护，则*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，可以在每一个梁上均装配这两个臂。
　　两个设定有相同中心波长的光纤光栅代替法布里－珀罗干涉仪的反射镜，形成全光纤法布里－珀罗干涉仪（FFH），运用低相干性使干涉的相位噪声*小化，这一方法完成了高感知度的动态应变测量。用FFPI集合另外两个FBG，其中一个光栅用来测应变，另一个被保护起来，免受应力影响，以测量和修正温度（℃）效应，所以FFP～FBG完成了同时测量三个量：温度（℃）、静态应变、瞬时动态应变。这种方法兼有干涉仪的相干性和光纤布拉格光栅传感器的优点。已在5mε的测量界限内，完成了小于1με的静态应变测量精确度、0.1℃的温度（℃）感知度和小于1nε/（Hz）1/2的动态应变感知度。
4、在电力工业中的应用
　　光纤光栅传感器因不受电磁场干扰和可完成长距离低损耗传输，从而成为电力工业应用的理想选用。电线的载重量（kg）、变压器绕线的温度（℃）、大电流（A）等全部可运用光纤光栅传感器测量。
　　在电力工业中，电流（A）变换器可把电流（A）改变转化为电压（V）改变，电压（V）改变使压电陶瓷（PZT）产生形变，而运用贴于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（A）强度。这是一种较为廉价的方法，并而且不需要复杂的电隔离。--由大雪等对电线施加的过量的压力可能会引发危险事件，因此在线检验测试电线压力非常重要，特别是对于那些不易检验测试到的山区电线。光纤光栅传感器可测电线的载重量（kg），其原理为把载重量（kg）的改变转化为紧贴电线的金属板所受应力的改变，这一应力改变被粘于金属板上的光纤光栅传感器探测到。这是运用光纤光栅传感器完成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。
5、在医学中的应用
　　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（A）、电压（V）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。为测量高频辐射或微波场的安全性，需用超声波传感器检验测试一系列医疗（含有概括超声手术、过高热治疗、碎结石手术等）中所用的超声诊断仪表器具的功能。近年来，使用高频电流（A）、微波辐射和激光实行热疗以代替外科手术越来越受到医学界的关注，而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，光纤光栅传感器是目前为止能够做到的*小的传感器。光纤光栅传感器能够经过*小限度的侵害方法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验测试了病变组织的温度（℃）和超声波场，在30℃－60℃的界限内，获取了分辨率为0.1℃和精确度为±0.2℃的测量成果，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（℃），集合脉功率（W）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。
6、在化学传感中的应用
　　光纤光栅传感器可用来化学传感，因为光栅的中心波长随折射率的改变而改变，而光栅间倏失波的相互作用以及环境中的化学物质的浓度改变全部会引起折射率的改变。
　　长周期光栅（long period fiber grating，LPFG）与布拉格光纤光栅一样，也是由光纤轴向上产生周期性的折射率调制而形成，其周期一般大于100μm.它的耦合机理是：向前传输的纤芯基模被耦合入几个特定波长的向前传输的包层模，包层模很快损失掉，所以LPFG基础上没有后向反射，在其透射谱中有几个特定波长的吸收峰。LPFG对光纤包层材料折射率的改变比上述的光纤布拉格光栅更为敏感，包层材料折射率的任何改变全部会改变传输光谱的特性，使吸收峰发生改变，所以长周期光栅折射率测量系统的分辨率可完成10－7的感知度。目前已经用长周期光栅测出了许多化学物质的浓度，含有概括蔗糖、乙醇、己醇、十六烷、CaCl2、NaCl等，原则上，任何设定有吸收峰谱并而且其折射率在1.3和1.45之间的化学物质全部可用长周期光栅实行探测。
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