光纤光栅传感器研究背景以及应用领域

光纤光栅传感器研究背景以及应用领域

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研究背景................................................................................................................................

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2光纤光栅传感器的特点与应用领域

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2.1光纤光栅传感器的特点

.....................................................................................................2 2.2光纤光栅的应用领域

.........................................................................................................2 2.2.1电力工业应用

..........................................................................................................3 2.2.2工程结构检测

..........................................................................................................3

2.2.3航空航天

..................................................................................................................3 2.2.5医学传感器

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1研究背景

布拉格光纤光栅是近年来发展最为迅速的光纤无源器件之一，作为一种新型

的无源光器件，光纤光栅可制成各种传感器。在很多情况下，光纤光栅传感器具

有电子传感器无法比拟的优势，代表了新一代传感器的发展方向，在传感领域得

到了广泛的应用。1978年，加拿大的Hill等人，制成了世界上第一只被称为“Hill

光栅”的光纤光栅，开创了光纤光栅研究与应用的先河。此后，由于受写入效率低等因素的影响，在相当长一段时间内，其进展缓慢。直到19年，美国的Meltz等人发明了紫外光侧面写入光敏光栅的技术，利用两束干涉的紫外光从光纤的侧面成功地写入光栅。这项技术不仅有效地提高了光纤光栅的写入效率，而且还可以通过改变两束相干光的夹角对光纤光栅波长进行调控，为光纤光栅实

用
化开辟了一条可行的道路。

1993年Hill等人提出了位相掩模写入技术，其优点是稳定可靠，重复性好，简单实用，这一技术极大地放宽了对写入光源相干性的要求，使光纤光栅的制作更加灵活并使光栅的批量生产成为可能，相位掩模写入技术也成为目前最流行

的
光纤光栅制造技术。光纤光栅传感器是以光纤光栅为传感基兀的新型传感器。但目前的光纤光栅传感器，大多是探测波长的漂移，解调系统成本高，严重影响了光纤是传感器的发展及实际应用。开发价格低廉，质量优良、持久耐用、功能集成的光纤光栅传感解调系统，是最终实现光纤光栅传感器模块化、产业化、规模化的目标。

2光纤光栅传感器的特点与应用领域2.1光纤光栅传感器的特点
光纤光栅传感器作为光纤传感器的一种新产品，近来得到了越来越广的应用。与传统的电子类传感器相比，他们的差别在十传统的传感器是以物理量和电变量为基础，以电信号为转换和传输的载体，用导线传输电信号，因此在使用时受到特定环境的;光纤光栅传感器是以物理量和光变量为基础，以光信号作为转换和传输的载体，利用光纤来传输信号，具有以下优点:
1.由十在一般情况下电磁辐射的频率与光波的频率相比相差很多，所以在光纤中传输的光信号不易受到外界电磁干扰的影响。

2.光纤是由二氧化硅等绝缘材料形成，传输的是光信号，因此有较好的绝缘性能，适十在石油化工，煤矿等对易燃易爆有特殊要求的环境中使用。

3.性制作光纤的材料石英具有极高的化学稳定性，所以光纤光栅传感器可用十核辐射等一些特别恶劣的环境中。

4.光纤光栅传感器的信号载体是光信号，传感器的频带范围很宽，动态范围很大

。

5.可以测量温度、压力、振动、流量、电流、电压、浓度、化学成分、生物媒等。

6.可利用现在成熟的光纤通信技术组成复杂的传感器网络，实现分布式测量。

由于具有这些其它传感器无法比拟的优点，光纤光栅传感技术在民用工程结构、航空航天及船舶业、电力工业等众多行业中得到了深入研究和广泛应用。所以，自从美国的Morey等人首次对光纤光栅的应变与温度传感研究以来，世界各国都对其十分关注并开展了广泛的应用研究，并取得了丰硕的成果，在短短的10多年时间里光纤光栅已成为传感领域发展最快的技术。

2.2光纤光栅的应用领域
光纤光栅传感器凭其抗干扰能力强、精度高、结构简单、价格便宜等优点，使用范围不断扩大，特别是在桥梁、建筑、海洋、油田及航空等工程都有广泛的应用。除此之外，光纤光栅传感器在其它领域如电力、医学、化学中也有很好的发展。

2.2.1电力工业应用
光纤光栅传感器因不受电磁场干扰和可以实现长距离低损耗传输，从而成为电力工业应用的理想选择。电线的载重量、变压器绕线的温度、大电流、高电压等都可利用光纤光栅传感器测量。其中载重量可以通过测量导线的轴向应变而实现;变压器温度可以利用光纤光栅温度传感器实现;而测量大电流时，则需要把待测量转化成应变量进而利用应变传感器实现。

2.2.2工程结构检测

工程结构检测是光纤光栅传感器最活跃的领域。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人结构中，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，组成一个准分布式检测系统，对系统的整体结构实施在线检测。除此之外，我们还可以通过计算机对传感信号进行远程控制。2.2.3航空航天
航空航天业是一个使用传感器密集的地方，一架飞行器为了监测压力、温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等，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)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。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器网络。

2.2.4石油化工业
石油化工业属十易燃易爆的领域，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。美国马里兰州大学工程学院灵巧材料和结构研究中心用光纤光栅开发了一个分布式氢气泄漏传感系统，系统中有40个光纤光栅氢气传感器。

2.2.5医学传感器
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、电压等电磁场的干扰而引起传感部分或肿瘤周围的热效应，从而导致传感器读数错误。为测定高频辐射或微波场的安全性，需用超声波传感器检测一系列医疗(包括超声手术、过高热治疗、碎结石手术等)中所用的超声诊断仪器的性

能。近年来，使用高频电流、微波辐射和激光进行热疗以代替外科手术越来越受到医学界的关注。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最小的传感器。光纤布拉格光栅传感器能够通过最小限度的侵害方式测量人体组织内部的温度、压力、声波场的精确局部信息。基于光纤光栅的光纤传感器，其传感过程是通过外界参量(如温度、压力等)对布拉格中心波长的调制来实现的。与其他类型的光纤传感器相比，光纤布拉格光栅对外界干扰不敏感，且不带电，抗射频和电磁干扰，防燃、防爆、抗腐蚀、耐高压和强电磁场、耐电离辐射，能在有害环境中安全运行，在许多工程领域有重大的应用价值，因而具有很好的应用前景。可以预见，随着制作技术的日益成熟和性能的不断提高，光纤光栅传感器必将在传感应用领域中体现出巨大的生命力。