光纤布拉格光栅传感器的应用研究

光纤布拉格光栅传感器的应用研究（西安市铁一中，陕西西安710054）程一琛【摘要】近年来飞机失事的报道屡见不鲜，对飞机结构稳定性的精准实时监测显得至关重要。传感器是主要的监测手段之一。然而飞机在高

高低温度差等影响，传感器遭腐蚀严重，受到的干扰情况复杂，应用受到速飞行中遭受着恶劣的气候条件，比如盐雾、工业污染、大气相对湿度、

局限。进入21世纪以来，由于光纤布拉格光栅传感器在温度交叉敏感问题的逐步进展以及埋设安装方案的优化，光纤光栅传感器以其结构简

本文就光纤光栅传感器的特点及目前于单体积小、抗干扰能力强等特点和测量结构应力应变及损伤的功能，成为传感技术领域发展的新方向。

以便对未来更广泛的应用提供参考。桥梁工程、电力工程、航空航天与现代医学等方面应用情况进行研究，

物理特性【关键词】光纤；光栅传感器；

【中图分类号】【文献标识码】【文章编号】（2020）TP212A1006-422201-0085-02

随着我国经济和科技的发展袁越来越多的大型基础设施已经服役多年遥但是即使这些大型工程的建设质量有所保障袁服役过程中却不免会遭到一些部件腐蚀袁材料老化影响袁如何对它进行实时有效的质量监测便成了工程建设中急需解决的难题[1]遥

对解决关于工程质量监测的难题袁利用传感器去检测结构内部的损伤等不失为一个行之有效的途径遥由于具有可测量结构内部的应力尧应变等能力袁又具有稳定性尧重复性好的优点袁近年不断获得技术突破的光纤光栅传感器在工程质量监测这一领域受到了人们的青睐[5-6]遥光纤光栅传感器的形态具有多样性和可塑性袁可以贴附于结构表面[7]袁也可以嵌入到结构组织中[8-9]遥

由于光纤光栅传感器对温度敏感的特点袁它在航空航天袁生物医学等领域得以大放异彩院在诸如石油化工等众多领域袁更是将其两个特点相融合袁实现了光纤光栅传感器对油田井下等的温度与压力的同步监测遥随着科技的进一步发展袁光纤光栅传感器的更多应用成果被广泛传播遥除了温度和应力应变传感器外袁诸如位移传感器尧加速度传感器等的问世使得它在电力工程尧交通工程尧爆破工程尧船舶工程甚至军事领域都

0引言有了长足发展[10]遥可以预见袁在不久的将来袁充满发展潜力的光纤光栅传感器必将在各行各业发挥出更为重要的作用遥

1光纤传感技术的应用1.1光纤传感技术在桥梁工程的应用

光纤光栅传感器在桥梁结构中的应用可追溯到20世纪90年代袁由于传感器自身的多功能特性袁使其在大型工程结构力学性能参数监测以及与大型桥梁结构的状态检测方面表现出很强的优势遥同时光纤光栅传感器自身具有安装灵活的特点袁使其在桥梁工程的健康检测成为了一种可能遥1999年大量预埋在桥梁结构中的光纤光栅传感器在桥梁建设领域得以推广遥采用光纤布拉格光栅传感器进行桥梁结构的健康监测时袁最关键的问题在于光纤光栅传感器的安装问题上袁目前对于光纤布拉格光栅传感器的布贴方式主要有光纤光栅传感器直接安装在结构表面袁操作较为便捷遥

1.2光纤光栅传感器在航空航天中的应用

随着我国综合国力的提升袁各国对航空航天领域的投入也急剧增加袁航空航天的腐蚀服役环境容易导致结构出现材料的老化尧性能退变等问题袁传统的电涡流传感器容易收到电磁干扰的影响袁光纤布拉格光栅传感器由于其耐腐蚀抗电磁干扰的特性在航空航天领域亦已崭露头角袁而美国在这方面础设施袁各类终端设备可以不再承担自身的计算需要袁将计算和数据存储交给云端的高性能设备进行处理袁依靠低时延的网络基础袁获得与独立计算相同甚至更高的响应速度遥5G技术目前只是刚刚进入商用阶段袁各类基础设施及配套的应用研究还有很大的空间袁相信在不久的将来袁5G技术和云计算的结合袁必将使得信息科学技术的发展走上一个新的台阶袁有力地推动经济社会的发展袁改变人们的生活遥

参考文献

通讯袁对整体云上的影响也是比较大袁我们知道5G有一个很大的特点袁每平方公里的连接速度可以超过200万个袁传统的通讯不受限于技术上限袁无法支持如此巨大的连接数量袁未来互联网的发展将会必然朝着万物互联的方向推进袁各类的设备袁手持的尧穿戴的尧办公用的尧生活用的都会被接入网络遥对于如此众多的设备袁使用云计算是一个很好的计算解决方案袁设备可以作为最终的动作执行者袁其所需的计算和控制都由专业的服务商在云端通过高速的网络提供袁这样一来袁终端设备必的设计与制造必将大大简化袁其成本也会大幅度降低袁因此袁未来可能会有更多的人能够承担得起高端设备的使用袁从而改变人们的生活遥随着5G技术势不可挡的发展袁万物互联为云计算提供了无限的想象空间袁搭上了5G快车的云计算技术可以对其计算设备尧存储设备尧虚拟化技术尧分布式技术等细分领域进行进一步的发展袁从而为人们提供更加便捷的计算服务遥

综上所述袁5G技术对于云计算而言是一项基础领域的突破袁为云计算搭建了一条高速公路遥依托高速尧安全的网络基

[1]刘伟.面向5G光接入的网络切片与边缘云资源编排技术[D].北京院北京邮电大学袁2019.

[2]郑海林袁朱峰.基于5G网络的移动云计算优化措施研究[J].信息与电脑院理论版袁2019渊9冤院156-157袁160.

收稿日期：2019-11-19作者简介：冒星星渊1991-冤袁男袁汉族袁江苏南通人袁工程师袁研究生袁研究方向为通信传输网规划设计遥

86通信设计与应用

的研究一直居领先地位遥航空航天领域对材料的强度尧寿命尧成本尧耐腐蚀性等性状有较高的要求袁而光纤光栅传感器恰好可以对这些材料的应变和温度进行实时的监控袁很好地降低了以往对这些材料人工检测的成本与精确度遥而且由于光纤光栅传感器本身尺寸小尧质量轻尧不受电磁干扰尧耐腐蚀尧使用寿命长等优点袁它在未来航空航天领域必将有更广泛的应栅13传2017感系统年顺袁中利国通过航天项科目技评估集团总九结院13所研制的星载光纤用光遥

取得所圆研满制的成功光遥纤专光家栅对传光感纤系统光栅满传足评感试验审遥系统成在在功轨轨判试验测据量条数据的件精袁证度搭明尧载稳定性尧可靠性给予充分肯定袁建议在卫星温度测量中推广应用遥13所研制的光纤光栅传感系统搭载卫星在轨期间对卫星舱内外的温度尧应变进行了测量袁这是光纤光栅传感系统在我国卫星上的首次成功搭载袁各项综合性能指标得到了在轨环境的充分验证遥相信在未来我国的航空航天领域袁光纤光栅传感1.3器将光会纤将光会有栅更传长感足器在的发展电力遥

在现代电力工业中的设备大多都处工程中于强的应用

电磁场之中袁而且又要利用传感器对其进行温度变化精准的测量遥因此对传感器的绝缘性能要求较高袁因此袁光纤布拉格光栅传感器成为未来替代电磁环境下传统传感器的一种理想器件遥

山东省科学院激光研究所研制的基于光纤布拉格光栅传感器实现温度在线实时监测系统已在河南省内多家供电公司以及发电厂进行了推广及应用遥此光纤传感系统能够适用于电厂应用环境袁另外对电力设备的接头以及容易发生故障部位可以实现温度的在线实时监测袁目前可达到的实时在线监测温度为1.4在-20光纤益~+130益袁监测精度为依0.5益袁分辨率为0.1益遥现代医光学栅的发展传感袁器在更希生望物医找到能学够中替的应用

代传统医学传感器的新型器件袁其工作原理是找一台直流电压源给压力传感器供电袁再找一台高准确度的数字电压表测量传感器的输出信号袁记录每一个压力值所对应的电压信号袁将数据记录完毕后袁按照JJG860要1994的规程进行后期的计算袁判断病人身体相关数据遥由于后期计算过于复杂袁所以这样一天下来检测的病人数量有限遥同时其导线及连接方式均不固定袁连接及导线所带来的影响有一定的随机性袁因此在医疗人员修正连接及导线带来的误差时存在很大的难度遥另外若接线不当袁容易造成短路袁甚至带来危险遥在此背景下袁光纤生物医学传感器正扮演着越来越重要的角色遥

目前袁光纤内窥镜成像的应用已经非常成熟遥然而光纤的物理特性袁也使其在生物医学传感领域具有诱人的发展前景遥光纤光栅传感器具有尺寸小尧质量轻尧无毒无辐射和不与传统的电子器件发生干扰的特点和远程传感方面的多功能特性袁因此未来它在生物医疗领域也将有着广泛的应用遥通常直径小于250滋m的未成缆光纤可以直接插入注射针头和导管袁不但非常适合微创操作袁而且应用在光纤传感器中可以实施远程多点和多参数传感遥

按传感器应用于病人和生物系统的方式袁生物医学传感器可分为非侵入型尧接触型渊皮肤表面冤尧微创型或侵入型渊可植入型冤遥为止袁市场上最常见的医学光纤传感生物医学传感器可用于人体临床学和压力监控器袁此外还可以用于兽医学或其他生命科学领域袁并根据使用目的不同分为诊断型和治疗型等遥

新加坡的一个医疗科研小组曾提出基于光纤光栅传感器

2020年1月的医疗检测装置袁通过将传感器安装于患者的病床上袁通过应力值的改变情况对病人褥疮进行有效监测遥

此外袁在应用原理上袁最新的形状检测光纤传感器能够利用沿多核单模光纤排列的FBG阵列实现传感遥当外界施加压力时袁光纤曲率弯曲将导致FBG的峰值波长发生移动袁进而指2导结医疗器械和机器人手臂的精确位置与形状遥

本文论对光纤光栅传感器的一些新兴的应用进行了总结遥总体来看2011年到2015年之间袁全球光纤传感器市场消费规模以年平均20.5%成长遥2011年规模为13亿4000万美元袁预计2019年将达到31.5亿美元袁复合年增长率为9.6%遥随着中国工业化进程不断发展袁光纤光栅行业日新月异袁当前仪器仪表行业面临新的发展袁中国成为亚太地区最主要的光纤传感产品应用市场遥30多年的发展袁中国光纤传感市场产业化格局基本形成袁从最初单一的技术产品推广逐步向成熟的实际应用方案迈进遥

本文除了详细介绍的光纤光栅传感器于桥梁工程尧电力工程尧航空航天与现代医学的应用袁光纤传感器也被应用于各行各业袁如石油尧天然气尧汽车尧制造业尧消费电子尧建筑和船舶等遥此外袁光纤传感器也渗透于不同的新应用袁例如军事领域遥随着科技日新月异的发展袁相信光纤光栅传感器在世界范围内会更加成熟的应用于更多方面袁造福于人遥而伴随着我国经济的快速发展尧综合国力的稳步提升袁中国一定能够在这一领域追赶超越袁取得更加辉煌的成就遥

[1]中汪冰冰袁李琪袁王宁.光纤光参考文献

栅传感器应变和温度交叉敏感问题[2]国光万水[3]电子里运窑冰渊激袁下光王半袁殿月2006富冤袁.基2009袁17于袁9渊3冤院101-102.

[J].渊参考光1栅的光纤光栅应变传感器温度补偿[J].南周国鹏.光纤布拉格光栅冤院传50-53.

感器封装与应变/温度分离技术[J].南[4]京学程航淑空红航袁李天志大全学袁.埋2005.

京院入式光纤光栅应[5]袁用张2007[6][J].凤传梅袁28变测量系统的设计[J].应用光感袁器雷渊5与振冤院微山619-622.

系统袁刘德和.光纤光栅传感技术在桥梁施工监控中的应宁冷卫强.基于光纤光袁栅2006传感袁25器渊的2冤院煤78-80.

矿顶板应[7]工燕武海程技术大生.用于学变检测研究[J].阜新院辽大型袁2013.

结构件的光纤光栅应变传感技术研究[J].秦皇岛院[8]山量胡硕大学[9]结构臻袁和袁2015.

传王感幸模国型袁李[J].永科健.光纤布拉格光栅传感器应变和温度同时测与李国利袁李志全.光纤光技栅广应场变袁2005传感渊测2冤院量8-11.

[10]光[J].铁周电子学进展袁2005袁42渊4冤院25-28.

中的温度补偿问题[J].激光道学威袁报等袁.2014基于渊双2冤院向应75-80.

变匹配解调的光纤光栅轨道传感技术研究收稿日期：2019-12-21作者简介：程一琛渊2002-冤袁男袁汉族袁陕西西安人袁研究方向为自动化遥