光纖傳感技術(shù)論文(2)
光纖傳感技術(shù)論文篇二
光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用研究
[提要] 光纖光柵傳感技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一門新技術(shù)。本文在分析光纖光柵傳感技術(shù)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，綜述光纖光柵傳感技術(shù)的應(yīng)用，討論光纖光柵傳感器在應(yīng)用研究過程中需要解決的關(guān)鍵問題，并對(duì)其應(yīng)用前景做了展望。
關(guān)鍵詞：光纖光柵;傳感技術(shù);應(yīng)用研究
中圖分類號(hào)：F49 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
收錄日期：2012年6月8日
光纖光柵是近年來發(fā)展極為迅速的一種新型光纖無源器件。由于光纖光柵具有高靈敏度、低損耗、易制作、性能穩(wěn)定可靠、易與系統(tǒng)及其他光纖器件連接等優(yōu)點(diǎn)，因而在光通信、光纖傳感等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。光纖光柵是利用光纖材料的光敏特性，在光纖的纖芯上產(chǎn)生空間周期性或非周期性折射率變化而制成的。光纖光柵傳感器是近幾年發(fā)展最快、最先進(jìn)的光纖無源器件之一，光纖光柵傳感器產(chǎn)業(yè)已被國內(nèi)外公認(rèn)為是最具有發(fā)展前途的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，它以技術(shù)含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、滲透能力強(qiáng)、市場(chǎng)前景廣等特點(diǎn)為世人所矚目。
一、光纖光柵傳感的優(yōu)勢(shì)
作為光纖傳感器的一種，近年來發(fā)展十分迅速，它之所以有這樣迅猛的發(fā)展，是因?yàn)樗c傳統(tǒng)的電傳感器等相比有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。
1、具有非傳導(dǎo)性，對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小，又具有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點(diǎn)，適合在煤氣附近、電站、核設(shè)施、礦井下、油田以及油罐周圍等惡劣、高危險(xiǎn)環(huán)境中工作?？垢蓴_能力強(qiáng)，這一方面是因?yàn)槠胀ü饫w不會(huì)影響光波的頻率特性(忽略光纖的非線性效應(yīng));另一方面光纖光柵傳感系統(tǒng)從本質(zhì)上排除了各種光強(qiáng)起伏引起的干擾。
2、光纖輕巧柔軟，可以在一根光纖中寫入多個(gè)光柵，構(gòu)成傳感陣列，與波分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、分布式傳感。便于構(gòu)成各種形式的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，尤其是采用波分復(fù)用技術(shù)構(gòu)成分立式或分布式光纖光柵傳感器陣列，進(jìn)行大面積的、同時(shí)的多點(diǎn)測(cè)量。這對(duì)于大型土木結(jié)構(gòu)的健康檢測(cè)等方面有著重要的應(yīng)用。因此，人們十分重視該領(lǐng)域的研究，并且它已成為傳感領(lǐng)域的重要組成部分。
3、與光纖之間存在天然的兼容性，易與光纖連接、低損耗、光譜特性好、可靠性高。
4、傳感探頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、外形柔軟可變，適于各種場(chǎng)合，尤其是智能材料和結(jié)構(gòu)。便于埋入復(fù)合材料構(gòu)件及大型建筑物內(nèi)部，對(duì)結(jié)構(gòu)的完整性、安全性、載荷疲勞、損傷程度等狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。穩(wěn)定性高，重復(fù)性好。測(cè)量信息是波長編碼的，所以光纖光柵傳感器不受光源的光強(qiáng)波動(dòng)、光纖連接器耦合損耗、彎曲損耗以及光波偏振態(tài)的變化等因素的影響，有較強(qiáng)的抗干擾能力。
5、測(cè)量信息是波長編碼的，所以光纖光柵傳感器不受光源的光強(qiáng)波動(dòng)、光纖連接及耦合損耗以及光波偏振態(tài)的變化等因素的影響，有較強(qiáng)的抗干擾能力。
6、高靈敏度、高分辨率。該類傳感器的信息載體是光，無論以波長還是相位為檢測(cè)對(duì)象都具有非常高的傳感精度。即便檢測(cè)其振幅或強(qiáng)度，若有效的運(yùn)用具有高分辨率的光電儀器，也可對(duì)某物理量的檢測(cè)具有非常高的精度。
正是由于具有這么多的優(yōu)點(diǎn)，近年來光纖光柵傳感器在大型土木工程結(jié)構(gòu)、航空航天等領(lǐng)域的健康監(jiān)測(cè)，以及能源化工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
二、光纖光柵傳感技術(shù)的應(yīng)用
1、在電力系統(tǒng)的應(yīng)用。光纖光柵傳感器在電力上的應(yīng)用，主要是通過對(duì)溫度的測(cè)量實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備的實(shí)時(shí)安全檢測(cè)。光纖光柵傳感器檢測(cè)的電力設(shè)備包括高壓開關(guān)柜隔離觸頭斷路器、線夾、隔離刀閘、互感器、變壓器、電抗器、阻波器等。對(duì)這些電力設(shè)備進(jìn)行溫度的在線監(jiān)測(cè)，診斷過熱的原因，再經(jīng)過處理分析故障，從而實(shí)現(xiàn)真正意義的在線安全監(jiān)測(cè)。
光纖光柵傳感器具有良好的抗電磁干擾性，是電力工業(yè)中有關(guān)參數(shù)監(jiān)測(cè)的理想傳感元件。在電力工業(yè)中，電流轉(zhuǎn)換器可把電流變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，電壓變化使陶瓷(PZT)產(chǎn)生變形，貼于PZT上的光纖光柵產(chǎn)生波長漂移，從而得知電流強(qiáng)度。光纖光柵傳感器在長距離電力輸電線載荷以及電力變壓器繞組的分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。光纖光柵傳感器可測(cè)電線的載重量，其原理為把載重量的變化轉(zhuǎn)化為緊貼電線的金屬板所受應(yīng)力的變化，這一應(yīng)力變化被黏于金屬板上的光纖光柵探測(cè)到。這是利用光纖光柵傳感器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離惡劣環(huán)境下測(cè)量的實(shí)例。
2、在航天器及船舶中的應(yīng)用。光纖光柵傳感器非常適合在航天器中應(yīng)用。光纖光柵傳感器在航天器中監(jiān)測(cè)飛行器的應(yīng)變、溫度、振動(dòng)、起落駕駛狀態(tài)、超聲波場(chǎng)和加速度等情況。因?yàn)閭鞲衅鞯闹亓恳M量輕，尺寸要盡量小，因此，靈巧的光纖光柵傳感器是最好的選擇。為了監(jiān)測(cè)一架飛行器的應(yīng)變、溫度、振動(dòng)、起落駕駛狀態(tài)、超聲波場(chǎng)和加速度等情況，通常需要100多個(gè)傳感器，故傳感器的重量要盡量輕，尺寸要盡量小，因此，靈巧的光纖光柵傳感器是最好的選擇;光纖光柵傳感器非常適合用來監(jiān)測(cè)輪船船體結(jié)構(gòu)，提供可影響材料性能的機(jī)械變化信息，監(jiān)測(cè)復(fù)合材料的硫化，在輪船的試用期擔(dān)當(dāng)監(jiān)測(cè)任務(wù)，測(cè)量船體的彎曲應(yīng)力，測(cè)量海浪對(duì)甲板的抨擊力。
3、在土木工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。光柵傳感器具有很好的檢測(cè)精度、線性響應(yīng)和重復(fù)性，可以為工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)，在一定程度上為實(shí)現(xiàn)長期監(jiān)測(cè)提供了保障。大型土木工程結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施(如橋梁、超高層建筑、大型水壩等建筑)在其長期的服役過程中，結(jié)構(gòu)不可避免地產(chǎn)生損傷積累，抗力減小，如不能了解結(jié)構(gòu)的健康情況，一旦事故發(fā)生就會(huì)帶來巨大的損失。光纖光柵傳感器的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)使得它們很容易粘貼于結(jié)構(gòu)表面或者嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的實(shí)時(shí)分布式監(jiān)測(cè)。光柵光纖傳感器在工程施工期間，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在工程建成之后，可以監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的健康狀況以及載荷分布情況。
4、在石油工業(yè)中的應(yīng)用。光纖光柵傳感器非常適合在石油領(lǐng)域里應(yīng)用。油井井溫在石油勘探、開采和生產(chǎn)中是一個(gè)極其重要的參數(shù)，它對(duì)確定油層位置、厚度、含水地層的深度等具有決定性的意義，分布式光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)為井溫測(cè)量提供了一種全新的手段，系統(tǒng)使用柔軟、芯徑細(xì)小、本身絕緣并與光纖光柵天然相容的光纖作為感知并傳送信號(hào)的媒體，可以在惡劣的環(huán)境下對(duì)形狀復(fù)雜的溫度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)快速地檢測(cè)和定位。
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