淺談光纖光柵傳感應用技術及應用前景

馬強

摘要：光纖光柵傳感器作為一種新型的光纖傳感器具備可靠性強、精度高、防水性強、靈敏度高、受外界環境因素影響小、易于組建傳感網絡等特點，而且光纖光柵傳感器應用的領域更廣，潛力更大，在石油化工、電子信息、地質勘探等領域應用廣泛，并有學者將光纖傳感器技術應用于地震監測，取得較理想的效果。本文主要介紹了光纖光柵傳感的特點、工作原理與光纖光柵傳感技術的應用，討論了光纖光柵傳感技術的應用前景。

關鍵詞：光纖光柵? 傳感? 應用技術? 應用前景

Abstract： As a new type of optical fiber sensor， fiber Bragg grating sensor has the characteristics of strong reliability， high precision， strong waterproof， high sensitivity， less affected by external environmental factors， easy to establish sensor network and so on. In addition， fiber Bragg grating sensor has wider application fields and greater potential， and is widely used in petrochemical industry， electronic information， geological exploration and other fields. Some scholars have applied optical fiber sensor technology to earthquake monitoring and achieved good results. This paper mainly introduces the characteristics， working principle and application of fiber Bragg grating sensing technology， and discusses the application prospect of fiber Bragg grating sensing technology.

Key Words： Fiber Bragg grating; Sensing; Application technology; Application prospect

光纖光柵傳感技術主要是以光信號的形式進行傳輸，光纖光柵傳感技術從本質上來說不受電磁干擾，抗干擾能力強;光纖光柵傳感器可以做到較小的體積，并可實現對軌道交通結構在無任何損傷的情況下進行安全合理的布設;采用波長編碼的形式，可以實現準分布式實時監測;同時光纖光柵傳感技術還具有精度高、可靠性高等優點，可以進行應力、應變、位移、加速度、溫度等多種參量的實時監測[1]。光纖光柵傳感器的反射光波長對溫度、應變等外界環境因素敏感性高，因此能以高分辨率測量許多物理參數[2]。通過飛秒激光等技術，就可以實現低成本、大批量化的生產光纖光柵傳感器。通過激光掃描等技術，就可以實時高精度的監測相關信息。光纖光柵傳感技術可以利用一根光纖，通過串聯的方式，實現多點位實時測量，在石油化工、電子信息、地質勘探等眾多領域被廣泛應用。

1光纖光柵傳感的特點

光纖光柵傳感器作為一種新型的傳感器，其主要特點是可靠性強、精度高、受外界環境影響小、易于組建傳感網絡等，在石油化工、電子信息、地質勘探等領域應用廣泛[3]。目前已有研究學者將光纖傳感器技術應用于地震實時監測系統當中，并且取得了比較理想的效果。近幾年來光纖光柵傳感器應用越來越廣泛，并逐步在目前市場上對現有的傳統的電傳感器進行了更新替代，與傳統的電傳感器相比較，光纖光柵傳感器主要優點有以下幾點。

（1）光纖自身纖細，具有經久耐用、安全可靠、性能十分穩定的特點。與其相對應的光纖光柵傳感器具有非傳導性、質量輕、可靠性強、精度高、受外界環境影響小、易于組建傳感網絡等特點，并對布置部位數和被測對象影響較小，易于埋設并對埋設對象基本無任何損傷。基于這些特點使光纖光柵傳感器其更適合在煤炭勘測、電力設施監測、油庫油站監測、礦下井下安全作業、氣罐和油罐監測、隧道和橋梁沖擊、振動阻尼、形狀控制檢測等惡劣、高風險的環境中進行實時監測工作。

（2）光纖光柵傳感器具有故障率低、維護性強、性價比高、可靠性好、敏度高、壽命長等特點，并能在建筑物內部進行多位置的布設，并可以進行多參數的獨立監測，對外提供實時監測信息。

（3）光纖光柵傳感器的傳感探頭外形簡潔、質量輕盈、材質柔軟、安裝便捷，可裝設于各種復雜的環境和場所，埋設于隧道、橋梁等建筑物內部，對隧道、橋梁等建筑物內部進行沖擊和形狀控制進行連續實時監測，發現問題實時進行預警提示，及時進行人為干預，從而消除安全隱患，確保建筑物結構的完整性、安全性。光纖光柵傳感器的傳感探頭性能穩定，重復性強。由于光纖光柵傳感器的傳感探頭監測信息是通過波長進行編碼，因此其不受光纖連接器耦合損耗和光源的光強波動等因素的干擾，光纖光柵傳感器的傳感探頭抗干擾能力比較強。

2光纖光柵傳感器的工作原理

通過光誘導作用下，在摻加鍺材料的光纖中產生出了光柵效應，1978年，Hill等研究人員在進行實驗時偶然發現了這一現象，世界上第一根光纖光柵從此被成功地制作出來[4]。大量的研究人員開始深入研究探索光纖光柵的基本原理、制作方法和光纖光柵技術的實際應用，并且進行了大量的技術改進和完善工作。石英是構成光纖的主要材料，主要是由芯層和包層組成，外層通過涂覆層進行保護。光纖光柵的種類比較繁多，其中最為典型的也是發展最早的光纖光柵就是光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，FBG），FBG也是應用最廣泛的光纖光柵之一。

與其他傳統的傳感設備相比，光纖光柵傳感器主要是基于光纖傳輸的特性，它最早起源于光纖通信技術，通過多年的探索實踐和應用研究，目前已經被廣泛使用。 例如在石油化工、電子信息、地質勘探、土木和道路橋梁工程的檢測中經常使用。光纖傳感器中的光纖和一般通信中的光纖結構十分相似，分為3個部分：纖芯、包層和涂覆層。光纖纖芯以二氧化硅為主，基于全內反射物理原理，特定的光波會在纖芯中傳輸[5]。由于纖芯存在著光敏感這一特性，根據光源的不同，光纖折射率進而會隨之進行相應的改變，因此溫度、濕度、變形、張力發生變化的量測，可以通過光纖光柵中波長的變化，從而進行精準的量測。光纖光柵傳感器結構非常簡單，光纖光柵傳感器可以做到較小的體積，光纖光柵傳感器還具有可靠性強、精度高、防水性強、靈敏度高的特點，并且相比較其他類型的傳感設備，光纖光柵傳感器的穩定性好、可靠度高、受外界環境因素影響小、易于組建傳感網絡，在實際應用中可在建筑物內部進行多位置的布設，并可以進行多參數的獨立實時監測，從而在復雜的建筑物結構中充分發揮其能力。

3光纖光柵傳感技術的應用

20世紀末期，光纖光柵傳感技術出現以后，并逐步進行了實踐應用。由于光纖光柵傳感技術具有可靠性強、精度高、防水性強、靈敏度高、受外界環境影響小、易于組建傳感網絡等特點，光纖光柵傳感技術大規模地應用在洞室、隧道安全性、穩定性方面的監測，對洞室、隧道周圍巖（土）體有影響的巖（土）體進行實時變形監測[6]。國內的北京品傲光電科技有限公司、武漢理工光科股份有限公司、上海波匯科技有限公司、國外的美國MOI、SmartFiber、加拿大FISO等科研機構和研發企業主要從事光纖光柵傳感器的生產和應用研究。

3.1在土木工程中的應用

利用光纖光柵傳感器對隧道、橋梁、建筑物等進行多點位實時監測，可以獲取相關建筑物的載荷及健康狀況信息。在土木工程建設過程中可以提前將光纖光柵傳感器埋入相關建筑物的結構中，也可以等項目竣工后把光纖光柵傳感器貼附于相關建筑物表面進行實時監測。通過串聯組建傳感網絡的方式，可實現利用計算機對建筑物結構進行分布式的監測及遠程數據信息的實時監控。

3.2在電力設施中的應用

在電力行業中，最典型的應用就是利用光纖光柵傳感器測量高壓變壓器繞阻熱點的溫度，從而進行故障的診斷和預警，實時對電力設施的安全運行進行監測，保持電力設施在最佳功率狀態下進行工作。

3.3在鋼鐵冶煉中的應用

在鋼鐵冶煉企業的鋼液澆鑄生產作業過程中，通過光纖光柵傳感應用技術，研制出光纖漏渣檢測裝置對相關參數信息進行實時監測，可以有效防止鋼液被氧化、提高生產加工產品的品質，防止在生產作業過程中鑄坯出現質量問題及誤判漏渣的問題。

3.4在生產過程中對設備安全性進行監測的應用

光纖光柵傳感器是具有防火防爆特點的器件，性能安全、穩定、可靠。在企業生產過程中，利用光纖光柵傳感器防火防爆特點和性能安全、穩定、可靠這一特性，可以對反應罐等高溫高壓狀態的設備表面進行感溫網格多點位的鋪設，對反應罐等高溫高壓狀態的設備的表面溫度等特性進行實時監測，可相對精準地發現安全問題，及時進行預警，消除安全隱患，保證反應罐等高溫高壓狀態的設備的正常工作。

3.5在河道湖泊遙感中的應用

通過光纖光柵水位傳感器，對河道、湖泊及城市污水管網進行實時監測，監測數據相對傳統傳感器精度要更高，當水位發生變化時會引起FBG的拉伸或壓縮，對水位進行實時的遙感遙測。

3.6在航空航海中的應用

光纖光柵傳感器在航空、航海中應用比較廣泛。在航空中，利用光纖光柵傳感器對飛行裝置的升空及降落、運行幅度、運行速度、加速情況、溫度、濕度等信息進行實時監測。根據對飛行裝置的監測參數要求，一般需要近百個傳感器，因光纖光柵傳感器質量輕盈、材質柔軟、安裝便捷，所以是最好的選擇;光纖光柵傳感器在航海中多用對船只的性能、運行速度、海浪對船只的沖擊情況等進行實時監測。

4 光纖光柵技術應用前景

目前我國要求在石油勘探、電力設施、隧道、橋梁、軌道交通等消防方面配備消防安全預警信息化應用系統，光纖光柵傳感技術作為新一代的傳感技術具有可靠性強、精度高、防水性強、靈敏度高、受外界環境影響小、易于組建傳感網絡等特點，而且光纖光柵傳感技術應用的領域更廣，潛力更大，光纖光柵傳感技術也迅速在這些行業的領域奠定了應用基礎，光纖光柵傳感技術的應用正在快速發展。

5結語

光纖光柵傳感器雖然有很多的優點，但是目前光纖光柵傳感器相關的一些應用技術不太完善，光纖光柵傳感器進行推廣應用受到了一定的局限。光纖光柵傳感器的價格也相對比較高，這對光纖光柵傳感器的推廣應用市場也有一定影響，這就需要下一步從光纖光柵傳感器基應用原理、應用材料和研發制作工藝等方面嚴格把控其成本，研發制造出適合光纖光柵傳感器應用市場的性能優、價格低的光纖光柵傳感器。隨著現代科學技術水平的不斷提高，光纖光柵傳感應用的新技術、新工藝、新成果的進一步涌現，將來光纖光柵傳感器會在更多領域進行應用推廣，從而替代傳統的傳感器，光纖光柵傳感器應用在土木工程、健康醫療、石油勘探、電力電氣設備、電子信息、生物醫藥等眾多領域的市場份額將會進一步大幅增長，與其相對應的技術成果轉化也將進一步加快。

參考文獻

[1]崔鵬，徐成成.光纖光柵傳感技術在軌道交通領域的應用研究[J].交通科技與管理，2021（7）：9-10.

[2]關升，劉國明，顧國輝，等.應用于火山活動監測的分布式光纖光柵傳感技術[J].地震地磁觀測與研究，2021，42（2）：158-159.

[3]趙臻.光纖光柵傳感技術在口腔研究領域的應用進展[J].口腔醫學研究，2020，36（1）：10-12.

[4]呂磊，陳劍.光纖光柵傳感技術在水工結構監測中的應用研究[J].中國建材科技，2020，29（1）：19-20.

[5]錢文文，余曉芬，夏忠誠，等.光纖光柵傳感技術在醫療設備領域的應用[J].中國醫學裝備，2019，16（10）：153-156.

[6]張宇，史波，湯國強.光纖光柵傳感技術在洞室圍巖變形監測中的應用[J].人民長江，2019，50（8）：126-130.

3853500338219