智能传输材料之三
国内光纤光栅材料研究与应用概况
一、光纤光栅简介
光纤智能材料与结构是采用光作为信号检测和传输媒介，具有抗干扰能力强、数字量检测、传输距离远以及组网容量大等独特的优点。光纤光栅就是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅。由于光纤光栅具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，并且其谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感，因此在光纤通信和传感领域得到了广泛的应用。根据光纤光栅的周期大小，主要分为短周期光纤光栅和长周期光纤光栅两种。短周期光纤光栅也叫光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating，简称FBG），其周期通常小于１μm，能实现反向模式间耦合的光纤光栅，属反射型光纤光栅；长周期光纤光栅（long‐period fiber grating，简称LPFG）的周期为几十到几百微米，属透射型光纤光栅。其最主要应用在传感领域。
二、光纤光栅传感器及其应用
自从1989年首次报道将光纤光栅用于传感领域以来，经过20多年的发展，光纤光栅在光纤传感领域的作用日益突出，各类传感器不断涌现。根据实际应用环境不同，光纤光栅传感器大致可分为温度传感器、应力传感器、弯曲传感器、压力传感器、扭曲传感器、生化传感器、光纤加速度计等。
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光纤光栅传感器除了具有普通光纤传感器的许多优点外，还有一些明显优于光纤传感器的地方，其中最重要的就是它的传感信号为波长调制。这一传感机制的好处在于测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响; 避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要；能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布拉格光栅（FBG）光栅进行分布式测量。另外，光纤光栅很容易埋入材料中对其内部的应变和温度进行高分辨率和大范围地测量，光纤光栅传感器被认为是实现光纤灵巧结构的理想器件。
1. 民用工程
民用工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域, 基础结构的状态, 力学参数的测量对于桥梁、大坝、隧道、高层建筑和运动场馆的维护是至关重要的, 通过测量建筑物的分布应变, 可以预知局部荷载的状态, 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。另外, 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式检测, 传感信号可以传输很长距离送到中心监控室进行遥测, 因此在民用工程中, 光纤光栅传感器成为结构监测的最重要手段。例如：武汉天心洲公铁两用斜拉桥、海口世纪大桥、荆岳大桥等长期安全监测。
2. 航空航天工业
航空航天业使用传感器密集，一架飞行器为了监测压力、温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位臵等所需要使用的传感器超过100 个，因此传感器的尺寸和重量变得非常重要。光纤光栅传感器只有1 根光纤敏感元件（光栅）
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制作在纤芯中，从尺寸小和重量轻的优点来讲几乎没有其他传感器可以与之相比。因此航空航天业对光纤光栅传感技术非常重视，仅波音公司就注册了好几个光纤光栅传感器的技术专利。现在，大量复合材料被用于替代传统金属材料用于航天飞行器中，而复合材料结构的制造过程中可以便捷埋入光纤光栅传感器，实现飞行器运行过程中机载传感系统的实时健康和性能监视，这可以减少飞行器重量、缩短检查时间、降低维护成本 从而改善其性能。例如，美国X-33原型机。
3. 电力工业
电力工业中的设备大都处在强电磁场中, 一般电类传感器无法使用。很多情况下需要测量的地方处在高压中, 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, 这些地方的测量需要传感器具有很好的绝缘性能、体积要小、而且是无源器件, 光纤光栅传感器是进行这些测量的最佳选择。有一些电力设备经常位于难以到达的地方, 如荒山野岭、沙漠荒原中的传输电缆和中继变电站, 使用分布式光纤光栅传感系统的遥测能力可以极大地减少设备维护费用。因此光纤光栅传感器在电力工业中的应用前景很好。例如，“西电东送”工程中采用光纤光栅高压开关柜逐点监控系统对高压电缆的温度进行检测。
4. 石油化学工业
石化工业属于易燃易爆的领域，电类传感仪器用于诸如油气罐、油气井、油气管等地方的测量存在不安全的因素。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。
5．其他
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如船舶航运业应用中，能够为现代船舶的操作提供瞬时和丰富的传感信息，进而通过提供船舶操作人员所需要的早期危险报警和损伤评估来保证船舶的安全。医学应用中，光纤光栅传感器是现今能够做到最小的传感器，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，提供有关温度、压力和声波场的精确局部信息，光纤光栅传感器对人体组织的损害非常之小，足以避免对正常医疗过程的干扰。核工业应用中，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，因此对于核电站的安全检测是非常重要的。由于核装臵受辐射影响会加速老化，会需要更多的维护和修理，会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。
三、光纤光栅材料国内现状
我国在70年代末就开始了光纤传感器的研究，目前武汉理工大学、中国计量学院、国家电网公司、浙江大学、清华大学等在光纤温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计等领域进行了大量的研究。特别是1997年国家计委批准在武汉理工大学建设了全国唯一的“光纤传感技术国家重点工业性试验基地”、2000年批准在武汉理工光科股份有限公司建设“光纤传感器国家高技术产业化示范工程”、2009年发改委批准在武汉理工大学成立“光纤传感技术国家工程实验室”，使得我国光纤光栅领域若干关键技术和产业化研发方面取得一系列重要突破，大大加速了这一高新技术的产业化进程。
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以下从2015、2014、2013年在国内期刊发表文章及在国家知识产权局申请与授权专利两个方面具体分析光纤光栅材料领域各高校、科研院所与企业的研究与应用情况。
（一）国内期刊
从知网、维普、万方数据库搜索关键词（文章题目）含“光纤光栅”结果来看，研究较为热门，集中在工程应用领域，详见表1。 表1：
年度 2015年 研究领域 物理学 土木工程 电气工程 建筑学 矿业工程 信息与通信工程 仪器科学与技术 机械工程 控制科学与工程 航空宇航科学 石油与天然气
185 50 29 26 23 20 17 13 10 9 -
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2014年 2013年 336 49 43 23 48 45 48 35 - - 28
370 60 50 31 49 61 72 59 - - 39
国内光纤光栅材料研究与应用概况(智能传输材料之三)讲解
