科学技术光纤感测技术

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光纤感测技术(科学技术)【科学技术光纤感测技术】光纤感测技术始于1977年，伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，光纤感测技术是衡量一个国家信息化程度的重要标誌。光纤感测技术已广泛用于军事、国防、航天航空、工矿企业、能源环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域有着广阔的市场。世界上已有光纤感测技术上百种，诸如温度、压力、流量、位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及辐射等物理量都实现了不同性能的感测。
基本介绍中文名：光纤感测技术
外文名：Optical Fiber Sensing Technology
技术简介：工作频频宽，动态範围大
套用分类：光强度调製光波长调製光相位调製偏振态调製
存在问题：环境振动等干扰也同样敏感
技术介绍光纤工作频频宽，动态範围大，适合于遥测遥控，是一种优良的低损耗传输线；在一定条件下，光纤特别容易接受被测量或场的载入，是一种优良的敏感元件；光纤本身不带电，体积小，质量轻，易弯曲，抗电磁干扰，抗辐射性能好，特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。因此，光纤感测技术一问世就受到极大重视，几乎在各个领域得到研究与套用，成为感测技术的先导，推动着感测技术蓬勃发展。光纤感测，包含对外界信号（被测量）的感知和传输两种功能。所谓感知（或敏感），是指外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特徵参量，如强度（功率）、波长、频率、相位和偏振态等发生变化，测量光参量的变化即“感知”外界信号的变化。这种“感知”实质上是外界信号对光纤中传播的光波实时调製。所谓传输，是指光纤将受到外界信号调製的光波传输到光探测器进行检测，将外界信号从光波中提取出来并按需要进行数据处理，也就是解调。因此，光纤感测技术包括调製与解调两方面的技术，即外界信号（被测量）如何调製光纤中的光波参量的调製技术（或载入技术）及如何从被调製的光波中提取外界信号（被测量）的解调技术（或检测技术）。外界信号对感测光纤中光波参量进行调製的部位称为调製区。根据调製区与光纤的关係，可将调製分为两大类。一类为功能型调製，调製区位于光纤内，外界信号通过直接改变光纤的某些传输特徵参量对光波实施调製。这类光纤感测器称为功能型（FunctionalFiber，简称FF型）或本徵型光纤感测器，也成为内调製型感测器，光纤同具“传”和“感”两种功能。于光源耦合的发射光纤同于光探测器耦合的接收光纤为一根连续光纤，称为感测光纤，故功能型光纤感测器亦称全光纤型或感测型光纤感测器。另一类为非功能型调製，调製区在光纤之外，外界信号通过外加调製装置对进入光纤中的光波实施调製，这类光纤感测器称为非功能型（NonFunctionalFiber，简称NFF）或非本徵型光纤感测器，发射光纤与接收光纤仅起传输光波的作用，称为传光光纤，不具有连续性，故非功能型光纤感测器也称传光型光纤感测器或外调製光纤感测器。根据被外界信号调製的光波的物理特徵参量的变化情况，可将光波的调製分为光强度调製、光频率调製、光波长调製、光相位调製和偏振调製等五种类型。由于现有的任何一种光探测器都只能回响光的强度，而不能直接回响光的频率、波长、相位、和偏振调製信号都要通过某种转换技术转换成强度信号，才能为光探测器接收，实现检测。技术套用分类光强度调製型光强调製是光纤感测技术中相对比较简单，用得最广泛的一种调製方法。其基本原理是利用外界信号（被测量）的扰动改变光纤中光（宽谱光或特定波长的光）的强度（即调製），再通过测量输出光强的变化（解调）实现对外界信号的测量。相位调製型光相位调製，是指外界信号（被测量）按照一定的规律使光纤中传播的光波相位发生回响的变化，光相位的变化量即反映被测外界量。光纤感测技术中使用的光相位调製大体有三种类型。一类为功能型调製，外界信号通过光纤的力应变效应、热应变效应、弹光效应及热光效应使感测光纤的几何尺寸和折射率等参数发生变化，从而导致光纤中的光相位变化，以实现对光相位的调製。第二类为萨格奈克效应调製，外界信号（旋转）不改变光纤本身的参数，而是通过旋转惯性场中的环形光纤，使其中相向传播的两光束产生相应的光程差，以实现对光相位的调製。第三类为非功能型调製，即在感测光纤之外通过改变进入光纤的光波程差实现对光纤中光相位的调製。偏振调製型偏振调製，是指外界信号（被测量）通过一定的方式使光纤中光波的偏振面发生规律性偏转（旋光）或产生双折射，从而导致光的偏振特性变化，通过检测光偏振态的变化即可测出外界被测量。波长调製型外界信号（被测量）通过选频、滤波等方式改变光纤中传输光的波长，测量波长变化即可检测到被测量，这类调製方式称为光波长调製。目前用于光波长调製的方法主要是光学选频和滤波。传统的光波长调製方法主要有F-P干涉式滤光、里奥特偏振双折射滤光及各种位移式光谱选择等外调製技术。近20多年来，尤其近几年迅速发展起来的光纤光栅滤光技术为功能型光波长调製技术开闢了新的前景。频率调製型光频率调製，是指外界信号（被测量）对光纤中传输的光波频率进行调製，频率偏移即反映被测量。目前使用较多的调製方法为都卜勒法，即外界信号通过都卜勒效应对接收光纤中的光波频率实施调製，是一种非功能型调製。存在问题光纤干涉型感测器由于灵敏度高、体积小等优点，受到很大关注。但是干涉型感测器对被测物理量的变化敏感的同时也对温度漂移、环境振动等干扰也同样敏感。目前用于光相位解调的干涉方法很多，主要有双光束干涉法、三光束干涉法、多光束干涉法、环形干涉法等。感测器的分类按光纤在光纤感测器中的作用可分为感测型和传光型两种类型。感测型光纤感测器的光纤不仅起传递光作用，同时又是光电敏感元件。由于外界环境对光纤自身的影响，待测量的物理量通过光纤作用于感测器上，使光波导的属性(光强、相位、偏振态、波长等)被调製。感测器型光纤感测器又分为光强调製型、相位调製型、振态调製型和波长调製型等。传光型光纤感测器是将经过被测对象所调製的光信号输入光纤后,通过在输出端进行光信号处理而进行测量的，这类感测器带有另外的感光元件对待测物理量敏感，光纤仅作为传光元件，必须附加能够对光纤所传递的光进行调製的敏感元件才能组成感测元件。光纤感测器根据其测量範围还可分为点式光纤感测器、积分式光纤感测器、分散式光纤感测器三种。其中，分散式光纤感测器被用来检测大型结构的应变分布，可以快速无损测量结构的位移、内部或表面应力等重要参数。目前用于土木工程中的光纤感测器类型主要有Math-Zender干涉型光纤感测器，Fabry-pero腔式光纤感测器，光纤布喇格光栅感测器等。感测器的特点⑴高灵敏度，抗电磁干扰。由于光纤感测器检测系统很难受到外界场的干扰，且光信号在传输中不会与电磁波发生作用，也不受任何电噪声的影响，由于这一特徵，光纤感测器在电力系统的检测中得到了广泛套用。⑵光纤具有很好的柔性和韧性，所以感测器可以根据现场检测需要做成不同的形状。⑶测量的频频宽、动态回响範围大。⑷可移植性强，可以製成不同的物理量的感测器，包括声场、磁场、压力、温度、加速度、位移、液位、流量、电流、辐射等。⑸可嵌入性强，便于与计算机和光纤系统相连，易于实现系统的遥测和控制。套用光纤感测技术在结构工程检测中的套用钢筋混凝土是目前非常广泛套用的材料，将光纤材料直接埋入混凝土结构内或贴上在表面，是光纤的主要套用形式，可以检测热应力和固化、挠度、弯曲以及应力和应变等。混凝土在凝固时由于水化作用会在内部产生一个温度梯度，如果其冷却过程不均匀。热应力会使结构产生裂缝，採用光纤感测器埋入混凝土可以监测其内部温度变化，从而控制冷却速度。混凝土构件的长期挠度和弯曲是人们感兴趣的一个力学问题，为此已研製出能测量结构弯曲和挠度的微弯应变光纤感测器，并用一根光纤连线整个结构不同位置上的感测器进行同时监测，每个感测器的位置可用OTDR来识别。光纤感测器还能探测混凝土结构内部损伤。在正常荷载作用下，由于钢筋阻止乾化收缩或温度引起的体积变化都会引起裂缝，裂缝的出现和发展可以通过埋入的光纤中光传播的强度变化而测得。光纤感测技术在桥樑检测中的套用桥樑是一个国家的经济命脉，桥樑的建造和维护是一个国家基础设施建设的重要部分。利用光纤感测器测量振动，主要可得到桥樑的振动回响参数如频率、振幅等，其方法是：将信号光纤贴上于桥樑内部，它随着桥樑的振动而产生振动回响，输出光的相位作周期性的变化，则光电探测器接收到的光强也作周期性的变化。成功的案例有：加拿大在1993年将光纤感测器预装到一座碳纤维预应力混凝土公路桥上，在桥开通后连续监测了8个月，测量了混凝土内部的整体分布应变，并用动态规化理论处理数据，準确而又快速的评估了桥樑的使用状态及寿命。1996年，美国海军实验研究中心研製了新墨西哥州I -10桥健康检测系统，它由60个FBG感测器组成，可实现动态与静态应变测量。光纤感测技术在岩土力学与工程中的套用岩土工程检测具有长时效性、环境複杂、具有时空限制、施工环境制约等特点，其检测工作一直是等待解决的难题。目前已有的常规的测试技术在长期的工程套用中表明，满足上述测试要求十分困难。而由于光纤感测器体积小、质量轻、不导电、反应快、抗腐蚀等诸多优良特性，使用它成为岩土力学工程的检测工具成为学者们的研究对象。下面列举一例成功套用光纤感测器检测岩土工程的成功案例：三峡大坝坝前水温监测三峡大坝坝体内部靠近上游面埋设有点式温度计，因埋设点位于坝体内，所测温度与实际库水温度存在一定的差异。为了能更真实地反映库水温度的变化规律，长江科学院结合坝前水温观测的实际现状，在左厂14-2坝段布设1条测温垂线，採取光纤Bargg光栅温度感测器进行监测，通过实际工程套用，光纤Bargg光栅温度感测器测量水温，可以满足水温监测的要求，且与水银温度计直接测量水温相比，结果较好。光纤感测技术在军事上的套用光纤感测技术在军事上同样套用广泛。光纤陀螺仪经过30多年的发展，已经广泛套用与民航机，无人机，飞弹的定位和控制中。光纤水听器可以用于船舶军舰收集声音，探测越来越先进的潜艇。且近几年来，基于光纤感测技术的光纤网路安全警戒系统开始在边防及重点区域防卫中得到推广套用。目前，世界上已开发国家使用的安全防卫系统就是基于分散式光纤感测网路系统的安全防卫技术。石油和天然气：油藏监测井下的P / T感测、地震阵列、能源工业、发电厂、锅炉及蒸汽涡轮机、电力电缆、涡轮机运输、炼油厂；航空航天：喷气发动机、火箭推进系统、机身；民用基础建设：桥樑、大坝、道路、隧道、滑坡；交通运输：铁路监控、运动中的重量、运输安全；生物医学：医用温度压力、颅内压测量、微创手术、一次性探头。研究进展光纤光栅感测器光纤光栅感测器是目前国内研究的热点之一。FBG感测器具有灵敏度高，易构成分散式结构，在一根光纤内可实现多点测量。满足“智慧型结构”对感测器的要求，可对大型构件进行实时安全监测；也可以代替其他类型结构的光纤感测器，用于化学、压力和加速度感测中。但是温度、应力交叉敏感是其实用化的最大限制。目前，随着实用、廉价的波长解调技术进一步发展完善，光纤光栅感测技术已经向成熟阶段接近，部分也已经商用化。但在性能和功能方面需要提高。阵列复用感测系统列阵复用感测系统将单点光纤感测器阵列化，实现空间多点的同时或分时感测，也称为準分散式系统。目前，套用最为广泛的是光纤光栅阵列感测和基于干涉结构的阵列光纤感测系统。阵列化光纤感测的优点是可以实现大範围、长距离多点感测，是大规模光纤感测的一个重要发展趋势。阵列化的发展方向也对各个感测元的灵敏度、稳定性、批量製作可重複性、解调的快捷準确等提出新的要求。分散式光纤感测系统分散式光纤感测系统是根据沿线光波分布参量，同时获取在感测光纤区域内随时间和空间变化的被测量的分布信息，可以实现长距离、大範围的连续、长期感测。智慧型化光纤感测系统目前光纤感测的智慧型化主要体现在光纤感测与通信技术及计算机技术的融合，实现各种功能的智慧型化，实现信号获取、存储、传输、处理于一体。智慧型化光纤感测系统在许多新型套用领域受到广泛关注，如智慧型材料、环境感知、声发射检测、石油测井等。基于光纤感测的智慧型材料可以实现对周围环境变化的自判断性、自适应性、自诊断性、自修复性等诸多性能，在汽车工业、航空航天、医疗、安防、体育及土木工程等领域有着广泛的套用。

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