光纤光栅传感器的应用

光纤光栅传感器的应用

一、光纤光栅传感器的优势

与传统的传感器相比,光纤Bragg光栅传感器具有自己独特的优点: (1) 传感头结构简单、体积小、重量轻、外形可变, 适合埋入大型结构中, 可测量结构内部的应力、应变及结构损伤等, 稳定性、重复性好;

(2) 与光纤之间存在天然的兼容性, 易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高;

(3) 具有非传导性, 对被测介质影响小, 又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点, 适合在恶劣环境中工作;

(4) 轻巧柔软, 可以在一根光纤中写入多个光栅, 构成传感阵列, 与波分复用和时分复用系统相结合, 实现分布式传感;

(5) 测量信息是波长编码的, 所以, 光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接及耦合损耗、以及光波偏振态的变化等因素的影响, 有较强的抗干扰能力;

(6) 高灵敏度、高分辩力。

正是由于具有这么多的优点,近年来,光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康监测,以及能源化工等领域得到了广泛的应用。

光纤Bragg光栅传感器无疑是一种优秀的光纤传感器，尤其在测量应力和应变的场合，具有其它一些传感器无法比拟的优点，被认为是智能结构中最有希望集成在材料内部，作为监测材料和结构的载荷，探测其损伤的传感器。

二、光纤光栅的传感应用

1、土木及水利工程中的应用

土木工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域。

力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和健康状况监测是非常重要的.通过测量上述结构的应变分布,可以预知结构局部的载荷及健康状况.。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中,对结构同时进行健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等,以监视结构的缺陷情况.。

另外,多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络,对结构进行准分布式检测,可以用计算机对传感信号进行远程控制。

（1）在桥梁安全监测中的应用

目前, 应用光纤光栅传感器最多的领域当数桥梁的安全监测。

斜拉桥斜拉索、悬索桥主缆及吊杆和系杆拱桥系杆等是这些桥梁体系的关键受力构件,其他土木工程结构的预应力锚固体系,如结构加固采用的锚索、锚杆也是关键的受力构件。上述受力构件的受力大小及分布变化最直接地反映结构的健康状况,因此对这些构件的受力状况监测及在此基础上的安全分析评估具有重大意义。

加拿大卡尔加里附近的Beddington Trail 大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一(1993 年), 16 个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和炭纤复合材料筋上,对桥梁结构进行长期监测, 而这在以前被认为是不可能。德国德累斯顿附近A 4 高速公路上有一座跨度72 m的预应力混凝土桥, 德累斯顿大学的Meis－sner 等人将布拉格光栅埋入桥的混凝土棱柱中, 测量荷载下的基本线性响应, 并且用常规的应变测量仪器作了对比试验, 证实了光纤光栅传感器的应用可行性。瑞士应力分析实验室和美国海军研究实验室, 在瑞士洛桑附近的V aux 箱形梁高架桥的建造过程中, 使用了32个光纤光栅传感器对箱形梁被推拉时的准静态应变进行了监测, 32个光纤光栅分布于箱形梁的不同位置、用扫描法- 泊系统进行信号解调。

2003年6月，同济大学桥梁系史家均老师主持的卢浦大桥健康检测项目

中，采用了上海紫珊光电的光纤光栅传感器，用于检测大桥在各种情况下的应力应变和温度变化情况。 施工情况：

整个检测项目的实施主要包括传感器布设、数据测量和数据分析三大步。

在卢浦大桥选定的端面上布设了8个光纤光栅应变传感器和4个光纤光栅温度传感器，其中8个光纤光栅应变传感器串接为1路，4个温度传感器串接为1路，然后通过光纤传输到桥管所，实现大桥的集中管理。

数据测量的周期根据业主的要求来确定，通过在桥面加载的方式，利

用光纤光栅传感网络分析仪，完成桥梁的动态应变测试。

（2）在混凝土梁应变监测中的应用

1989年, 美国Brown University 的Mendez 等人首先提出把光纤传感器埋入混凝土建筑和结构中, 并描述了实际应用中这一研究领域的一些基本设想。此后, 美国、英国、加拿大、日本等国家的大学、研究机构投入了很大力量研究光纤传感器在智能混凝土结构中的应用。

在混凝土结构浇注时所遇到的一个非常棘手的问题是: 如何才能在混凝土浇捣时避免破坏传感器及光缆。光纤Bragg光栅通常写于普通单模通讯光纤上, 其质地脆, 易断裂, 为适应土木工程施工粗放性的特点, 在将其作为传感器测量建筑结构应变时,应采取适当保护措施。

一种可行的方案是：在钢筋笼中布置好混凝土应变传感器的光纤线路后, 将混凝土应变传感器用铁丝等按照预定位置固定在钢筋笼中, 然后将中间段用纱布缠绕并用胶带固定。而对粘贴式钢筋应变传感器一般则用外涂胶层进行保护。

2003年9月，上海紫珊光电技术有限公司自主研发的光纤光栅传感应变计埋设于混凝土中对北京中关村某标志性建筑进行静态应变测量。上海紫珊光电技术有限公司自主研发的光线光栅应变计具有精度高（一般为1με，如果是小量程的应变测量，可以达到0.5με）、可靠性高、安装方式多样、使用方便等优点，成功应用于北京中关村某标志性建筑中，布设在钢梁上并埋设在混凝土中对支柱钢梁进行施工过程监测。

埋入混凝土前

埋入混凝土后

（3）在水位遥测中的应用

在光纤光栅技术平台上研制出的高精度光学水位传感器专门用于江河、湖泊以及排污系统水位的测量。传感器的精度可以到达±0.1％F·S。光纤安装在传感器内部，由于光纤纤芯折射率的周期性变化形成了FBG，并反射符合布拉格条件的某一波长的光信号。当FBG与弹性膜片或其它设备连接在一起时，水位的变化会拉伸或压缩FBG。而且，反射波长会随着折射率周期性变化而发生变化。那么，根据反射波长的偏移就可以监测出水位的变化。

（4）在公路健康检测中的应用 公路健康监测必要性：

交通是与人们息息相关的事情，同样也是制约城市发展的主要因素，可以说交通的好坏可以直接决定一个城市的发展命运。每年国家都要投入大量资金用在公路修建以及维护上，其中维护费用占据了很大一部分。即便是这样，每年仍然有大量公路遭到破坏，公路的早期损坏已成为影响高速公路使用功能的发挥和诱发交通事故的一大病害。，而破坏一般都是因为汽车超载，超速以及自然原因引起的，并且也和公路修建的质量有很大关系。所以在公路施工过程以及使用过程中进行健康检测是非常有必要的。现在的公路一般分三层进行施工，分为底基层、

普通层和沥青层，在施工过程中埋入温度以及应变传感器可以及时得到温度以及应变的变化情况，对公路质量进行实时监控。详细了解施工材料的特点以及影响施工质量的因素。 传感器设计方案：

由于公路施工过程中条件比较恶劣，主要问题有以下几点： 1. 在沥青层铺设过程中温度可达160℃。 2. 在施工过程中，每层受到的压力达20t 以上。

3. 由于沥青层随着环境温度变化，其强度变化明显。传感器需要能真实反映沥青层应变。所以传感器在埋入过程中的成活率是最关键的问题。

首先为了解决高温的问题，传感器本身采用不锈钢材料封装，尾纤采用抗高温铠装光缆。为了使传感器在强压力下仍然能继续工作，并且和沥青层比较好的配合，能真实反映沥青层挠度，设计传感器外形的时候可以采用增加沥青层与传感器的接触面积。

H 形FBGS-H 沥青计 装配图与实物图如下：

圆型FBGS-O 沥青计 装配图与实物图如下：

这样，在城市交通要道以及高速公路监测点埋入传感器，组建公路监测系统，统一监控。在数据处理方面进行研究，除了能监测公路健康状况，还可实现车流量统计，对公路上超速超载情况进行监测等功能。

2、航空航天中的应用

智能材料与结构的研究起源于20世纪80年代的航空航天领域。1979年，美国国家宇航局（NASA）创始了一项光纤机敏结构与蒙皮计划，首次将光纤传感器埋入先进聚合物复合材料蒙皮中，用以监控复合材料应变与温度。

先进的复合材料抗疲劳、抗腐蚀性能较好，而且可以减轻船体或航天器的重量，对于快速航运或飞行具有重要意义，因此复合材料越来越多地被用于制造航空航海工具(如飞机的机翼)。

另外，为了监测一架飞行器的应变、温度、振动，起落驾驶状态、超声波场和加速度情况，通常需要100多个传感器，故传感器的重量要尽量轻，尺寸尽量小，因此最灵巧的光纤光栅传感器是最好的选择。另外，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实现多点多轴向应变和 温度测量的理想智能元件。

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X-33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

时的健康监测。X-33是一架原型机, 设计用来作“国际空间站”的往返飞行。

BlueRoadResearch 联合美国海军空战中心和波音幻影工作组, 使用B IueRoadResearch 生产的光纤光栅传感器对飞机的粘和接头完好性进行了评估。以前这种评估所常用的方法, 如超声波和X 射线, 非常耗时而且信号难以处理。美国海军研究实验室将光纤光栅传感器固定在飞机轻型天线反射器的不同位置, 测量纵向应变、弯曲和扭矩。

3、船舶航运业中的应用

（1）船舶结构健康监测系统

美国海军实验室对光纤光栅传感技术非常重视，已开发出用于多点应力测量的光纤光栅传感技术，这些结构包括桥梁、大坝、船体甲板、太空船和飞机。在美国海军的资助下，开发有船舶结构健康监测系统，已制成用于美国海军舰队结构健康监测的低成本光纤网络，这个系统基于商用光纤光栅和通信技术；拟采用光纤光栅传感技术和混合空间/波分复用技术实时测量拖拽阵列的三维形状，这种技术对阵列测量的改善将超过现有阵列估算技术一个数量级，从而可增强海军的战术优势。

1999年春，美国海军研究实验室（Naval Research Laboratory, NRL）光纤灵巧结构部的Michael Todd等人用光纤传感系统对KNM Skjold 快速巡逻艇进行智能监测。

1．56个光纤光栅传感器（FBG） 2．安装在内壳和喷水推进器上 3．实时局部应变监测和整船负载量的监测

1．分辨率高，无电磁干扰 2．保持原有结构不被破坏 3．同时实现自动的遥感遥测

监测喷水推进器的示意图：

（2）全光纤舰船传感系统

2002,2 美国海军研究中心（Navy office of Naval Research）和海上战争中心（Naval Surface Warfare Center, Carderock Division）在英国皇家RV Triton舰船上安装了光纤传感系统对其进行舰船结构健康监测。SPA安装了自己的舰船监测系统和超过50个FBG传感器安装在舰壳上，同时存在电传感器以验证它的精度和性能。这个测试系统伴随RV Triton在海上2个星期的海上航行测试，最后数据被NSWCCD 和 SPA分析，以指导RV Triton的工程改进。同时美国也非常有兴趣将该传感系统用在Trimaran（三舰并列）技术的发展中。

1．50个FBG传感器测应变 2．2个Flat-Pack传感器，包含两个FBG，可同时测温度和应变 3．安装在舰壳上 4．SPA的高速传感器查询技术

各种FBG传感器的分布：

2000,6,25 DavidsonInstruments宣布为美国海军开发全光纤舰船传感系统。美国海军正在研究21世纪水面战斗舰船。这些舰船包括按DD21设计的登陆攻击驱逐舰，也包括按CG-21设计的巡洋舰。2002,7,10 DavidsonInstruments已经宣布完成了该项目，其结果数据被用于舰船的制造和改进提供参考。同时这个全光纤的传感系统可以抵抗核武器的冲击波效应。

（3）驳船健康监测系统

美国海上战争中心（Naval Surface Warfare Center, Carderock Division）对美国海军的接合标准模驳船系统JMLS进行结构监测。用4个通道共16个FBG传感器，其中14应变传感器和2个Flat-Pack传感器（包含两个FBG，可同时测量温度和应变），和SPA的舰船健康监测系统。

（4）发射系统环境监测系统

美国海上战争中心Naval Surface Warfare Center，Port Hueneme Division正在开发自己的光纤传感测试系统以用于长期的监测以决定表面舰船垂直发射系统（VLS）和导弹发射的操作环境。因为导弹等发射物的健康状况会受到震动冲击，高热和湿度的影星，必须对其进行定期的检测。在这个测试系统中，测量的物理量包括温度，应变，压力，加速度和湿度。

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