光纤布拉格光栅在光纤传感领域中的典型应用按测量种类分类

由天下分享时间：2024/9/9 10:32:57 加入收藏我要投稿点赞

1.1.1 光纤布拉格光栅在光纤传感领域中的典型应用

1. 按测量种类分类 1）单参量测量

光纤光栅的单参数测量主要是指对温度，应变，浓度，折射率，磁场，电场，电流，电压，速度，加速度等单个参量分别进行测量。用一宽带发光二极管作为系统光源，利用光谱分析仪进行布拉格波长漂移检测，这是光纤光栅作为传感应用的最典型结构。

2）双参量测量

光纤光栅除对应力，应变敏感意外，对温度变化也有相当的敏感性，这意味着在使用中不可避免地会遇到双参量的相互干扰。为了解决这一问题，人们提出了许多采用多波长光纤光栅进行温度，应变双参量同时检测的实验方案。在工程结构中，由于各种因素相互影响，交叉敏感，因此这种多参数测量技术尤其重要。目前多参数传感技术中，研究最多的是温度—应变的同时测量技术，也有人进行了温度—弯曲，温度—折射率，温度—位移等双参数测量以及温度—应变—振动—负载的多参数测量。 3）分布式多点测量

将光纤光栅用于光纤传感的另一优点是便于构成准分布式传感网络，可以在大范围内对多点同时进行测量。典型的基于光纤光栅的准分布传感网络，可以看出其重点在于如何实现多光栅反射信号的检测。虽然方法各异，但均解决了分布测量的核心问题，为实用化研究奠定了基础。

2按应用领域分类

1）在土木工程中的应用

土木工程中的结构健康检测是光纤光栅传感器应用中最活跃的领域。对于桥梁，隧道，矿井，大坝，建筑物等来说，通过测量上述结构的应变分布，可以预知结构内

的局部载荷状态，方便进行维护和状况监测。光纤光栅传感器既可以贴在现存结构的表面，也可以在浇筑时埋入结构中对结构进行实时测量，监视结构缺陷的形成和生长。而且，多个光纤光栅传感器可以串接成一个网络对结构进行分布是检测，传感信号可以传输很长距离送到中心监控室进行遥测。 2)在航空航天及船舶中的应用

增强碳纤维复合材料抗疲劳，抗腐蚀性能较好，质量轻，可以减轻船体或航天器的重量，已经越来越多地被用于制造航空航海工具。在复合材料结构的制造过程中埋放光纤光栅传感器，可实现飞行器或船舰运行过程中机载传感系统的实时健康检测和损伤探测。

一架飞行器为了监测压力，温度，振动，起落驾驶状态，超声波场和加速度情况，所需要的传感器超过100个，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健康检测。

为全面衡量船体的状况，需要了解其不同部位的变形力矩，剪切压力，甲板所受的冲击力，普通船体大约需要100个以上的传感器，因此复用能力极强的光纤光栅传感器最适合于船体检测。

3)石油化工中的应用

石油化工业属于易燃易爆的领域，电类传感器用于诸如油气罐，油气井，油气管等地方的测量具有不安全的因素。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里应用。美国CiDRA公司发展了基于光纤光栅的监测温度，压力和流量等热工参量的传感技术，并将其应用于石油和天然气工业的钻井监测，以及海洋石油平台的结构检测。

光纤光栅周围化学物质浓度的变化通过渐逝场影响光栅的共振波长。利用该原理，可通过对FBG进行特殊处理或直接用LPG制成各种化学物质的光纤光栅传感器。光纤光栅传感器可直接测量许多化学成分的浓度，包括蔗糖，乙醇，十六烷，CaCL2,NaCL等。另外，利用特定的聚合物封装光纤光栅，当聚合物遇到碳氢化合物时膨胀而使光纤产生应变，通过监视光栅共振波长的漂移就可知道光纤光栅的石油泄漏情况。 4)电力工业中的应用

电力工业中的设备大部分处在强电磁场中（如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测量），一般电类传感器无法使用，而光纤光栅传感器在高电压和大电流中具有高绝缘性和强抗电磁干扰的能力，因此适合在电力行业的应用。用常规电流转换器，压电元件和光纤光栅组成的综合系统对大电流进行间接测量。电流转换器将电流转换成电压，电压变化是压电元件形变，形变大小有光纤光栅传感器测量。封装与磁致伸缩材料的光纤光栅可测量磁场和电流，可用于检测电机和绝缘体质之间的杂乱磁场通量， 5)医学中的应用

光纤光栅传感器能够通过最小限度的侵害方式对人体组织功能进行内部测量，足以避免对正常医疗过程的干扰，光纤光栅阵列温度传感器可用于测量超声波，温度和压力场，研究病变组织的超声和热性质，或遥测核磁共振机中的实际温度。用定向稀释导流管方法，采用光纤光栅传感器可对心脏的功效进行测量。用光纤光栅可以测量超声场，监视病人呼吸情况等。 6）核工业中的应用

核工业是个高辐射地方，核泄漏对人类是一个极大的威胁，因此对于核电站的安全监测非常重要。由于光纤光栅传感器具有耐辐射的能力，可以堆核电站的反应堆建筑或外壳结构进行变形监测，蒸汽管道的应变传感以及地下核废料堆中的应变和温度等。 7）水利电力

应用于大坝，边坡，厂房，引水发电系统以及其他水工建筑物的安全监测。用于输水管线，渠道，隧道，渡槽，泵站等结构建筑的安全运行监测。管道渗漏定性监测。

8）电力工程

高压输电塔架以及线路的安全监测电力变压器温度监测电力工程结构安全监测 9）公路及桥梁健康监测

应用于各种公路，铁路桥梁，跨海大桥等施工期及运行期动态安全健康监测桥梁以及结构挠度动态监测

应用于公路路基，路肩，边坡等安全监测公路隧道的安全监测 10）石油化工领域的应用

应用于油田油井的温度压力动态监测，提高油井产量，应用于远距离输油，输气管道的监测，应用于各种储油罐的温度，应变，液面高度监测。

应用于各种化工产品反应器，储存容器，运输容器，仓库等的安全监测。 11）铁路安全监测

应用于铁路铁轨应力应变动态监测；路基沉降，倾斜，压力监测。铁路隧道的安全

监测，电器化铁路输电塔架及线路的安全监测。

12）地铁的安全监测

地铁隧道系统的沉降，应力，应变，变形，收敛等安全指标的动态监测；路面及路上建筑结构的沉降，倾斜及相关指标的监测，地铁铁轨应力应变动态监测。