光纤传感器的应用现状及未来发展趋势

科技信息2011年第3期SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION光纤传感器的应用现状及未来发展趋势卢一鑫1杨璐娜2（1．西安文理学院陕西西安710065；2．西北大学陕西西安710069）【摘要】对光纤传感器的应用概况进行了详细综述，介绍了几种使用在特定工作范围内已成熟的光纤传感器系统。针对工程方面的，详细介绍了光纤传感器的具体应用实例。并指出了目前光纤传感器应用上急需解决的一些问题及其发展趋势。【关键词】光纤传感器；工程应用；发展DevelopmentandApplicationsofOpticalFiberSensor【Abstract】Theapplicationsoftheopticalfibersensorsarebroadlydiscussed.introducedseveralkindofusesinthespecificoperatingregionalreadythematureopticalfibersensorsystem.Inviewoftheengineeringaspect,indetailintroducedtheopticalfibersensorconcreteapplicationexample.Theproblemsneedtobesolvedatpresentisproposedandthedevelopmentofopticalfibersensorisdiscussed.【Keywords】Opticalfibersensor；Engineeringapplication；Development0引言传感器在当代科技领域及实际应用中占有十分重要的地位,各种类型的传感器早已广泛应用于各个学科领域。光纤光栅是近几年发展最为迅速的新一代光无源器件,在光纤通信和光纤传感等相关领域发挥着愈来愈重要的作用[1]。光纤传感器是近几十年来迅速发展起来的一种新型传感器，它具有抗电磁干扰、电绝缘性好、灵敏度高等一系列优点，具有广泛的应用前景。光纤传感器分为两类：一类称为功能型传感器，它的光纤对被测信号兼有敏感和传输的作用；另一类称为非功能型传感器，它的光纤仅起传输的作用[2]。功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再通过对被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制，多采用多模光纤。非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。1光纤传感器的应用光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难题，具有很大的市场需求。主要表现在以下几个方面的应用：1.1城市建设中桥梁、大坝、油田等的干涉陀螺仪和光栅压力传感器的应用。光纤传感器可预埋在混凝土、碳纤维增强塑料及各种复合材料中，用于测试应力松弛、施工应力和动荷载应力从而来评估桥梁短期、施工阶段和长期营运状态的结构性能。1.2在电力系统，需要测定温度、电流等参数，如对高压变压器和大型电机的定子、转子内的温度检测等，由于电类传感器易受强电磁场的干扰，无法在这些场合中使用，只能用光纤传感器。分布式光纤温度传感器是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高新技术，分布式光纤温度传感系统不仅具有普通光纤传感器的优点，还具有对光纤沿线各点的温度的分布式传感能力，利用这种特点我们可以连续实时测量光纤沿线几公里内各点的温度，定位精度可达米的量级，测温精度可达1。的水平，非常适用于大范围多点测温的应用场合在石油化工系统、矿井、大型电厂等，需要检测氧气、碳氢化合物、CO等气体，采用电类传感器不但达不到要求的精度，更严重的是会引起安全事故。因此，研究和开发高性能的光纤气敏传感器，可以安全有效地实现上述检测。1.3在环境监测、临床医学检测、食品安全检测等方面，由于其环境复杂，影响因素多，使用其它传感器达不到所需要的精度，并且易受外界因素的干扰，采用光纤传感器可以具有很强的抗干扰能力和较高的精度，可实现对上述各领域的生物量的快速、方便、准确地检测。目前，我国水源的污染情况严重，临床检验、食品安全检测手段比较落后，光纤传感器在这些领域具有极好的市场前景。1.4医学及生物传感器。医学临床应用光纤辐射剂量计、呼吸系统气流传感系统；用FOS探测氢氧化物及其他化学污染物；光纤表面细胞质粒基因组共振生物传感器；生物适应FOS系统应用于海水监测、生化技术、医药。2光纤传感器结合工程上的历程1989年美国布朗大学的Mendez等人[3]首先提出了将光纤传感器用于钢筋混凝土结构和建筑检测的可能性。之后，美国、加拿大、英国、德国、日本、瑞士等国，纷纷将光纤传感技术应用于桥梁等建筑物的安全监测。加拿大卡尔加里附近的BeddingtonTrail大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一，16个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和炭纤复合材料筋上,对桥梁结构进行长期监测[4]。1999年夏,在美国新墨西哥LasCruces10号州际高速公路的一座钢结构桥梁上，安装了120个光纤光栅传感器，创造了当时在一座桥梁上使用光纤光栅传感器最多的纪录[5]。德国的GFZPotsdam开发的光纤光栅应变传感器用于探测岩石构成和岩石工程(包括隧道、洞穴、坑道、深层地基)的静态和动态应变，开发的光纤光栅地震成像系统用于地下煤矿坑道的安全监测等等。欧洲的STABILOS计划中开发的光纤光栅传感系统用于对瑞士的Mont-Terri隧道和矿井主梁的长期静态位移监测等。近年来，以加拿大渥太华大学和瑞士联邦工学院为代表的分布式布里渊光纤传感技术(BOTDA/BOTDR)成为研究的热点[6-7]，广泛应用于石油管道、市政工程、电力电线等安全在线监测。90年代初，我国开始了光纤传感技术的应用研究。清华大学、同济大学、重庆大学、哈尔滨工业大学、武汉理工大学等院校已对光纤光栅传感器应用于桥梁检测进行了大量研究，并进行了一些工程应用，取得了较好的效果。而且，武汉理工大学在光纤光栅解调仪的研发上取得了很大成功[8-10]，主要技术参数达到国际同类产品的水平。2003年6月，同济大学主持的卢浦大桥健康检测项目中，采用了光纤光栅传感器，用于检测大桥在各种情况下的应力应变和温度变化情况。该项成果还在东海大桥结构健康监测系统设计中得到了体现[11]。南京大学主要对布里渊光时域反射(BOTDR)技术的工程应用进行了大量的工作[12]，在玄武湖隧道监测项目中取得了较好的效果。石家庄铁道学院大型结构健康诊断与控制研究所在山西小沟特大桥健康监测中，使用FBG应变传感器监测大桥的受力情况，并结合小沟桥自身特点,采用模态动能法,即挑选振幅较大的点或者模态动能较大的点来布设传感器，共布设73个FBG应变传感器，达到良好的监测效果[13]。中铁隧道集团采用光纤布喇格光栅传感技术对广州地铁五号线小北站暗挖区间隧道进行了监测研究,包括监测设备比选、监测系统设计、传感器封装及保护、数据处理与分析。现场每个监测断面设计铺设6个FBG钢筋应力计传感器、2个FBG混凝土应变计和1个FBG温度传感器，所有传感器只敷设在拱顶和边墙上。研究表明FBG传感技术用于地下工程的监测十分可行,为FBG传感技术用于地下工程的监测提供重要参考[14]。北京科技大学和昆明理工大学以昆明白泥井3号隧道为实例，提出FBG传感器在隧道内的铺设方案及温度补偿技术。FBG监测系统覆盖隧道的一段，共选取10个断面按“Ω型”布置，进行绕拱变形监测，监测线路采用全面接着方法。经过对隧道进行8个月的定期监测，分析结果表明，FBG可准确地测出隧道的应变分布，将其应用于隧道变形监测中是可行和有效的，验证FBG监测系统的可靠性[15]。中国计量学院主要研发喇曼光时域反射（ROTDR）技术，目前产品已经在国内多家单位应用，主要性能指标达到国际先进水平。○机械与电子○113科技信息SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION2011年第3期●科（上接第126页）注重曾有过损伤的部位，更要充分活动来预防损伤发生。2．4．2身体状态不佳或身体疲劳身体状态不佳或身体疲劳最直接的反映就是身体各项素质和机能的下降，运动中动作僵硬、力量不足、身体协调能力、对抗能力下降，导致运动损伤发生的机率增加。在身体状态不佳时，应选用运动强度较小的运动项目进行身体恢复。在比赛过程中因运动量过大而产生的疲劳，则可以通过补水（运动饮料）等方式缓解疲劳。2．4．3缺乏自我保护足球运动中，身体的合理冲撞、对方犯规都是难免的。面对这些容易造成损伤的因素，自我保护的能力就显得非常重要，足球技术中就包含了许多自己保护的方法，如争顶头球时双臂张开等。对这些自我保护的技术动作及一些摔倒时自我保护动作的学习是非常必要的。2．4．4运动装备及场地因素正确佩戴护腿板及护踝带等运动装备能大大降低损伤发生的可能性。特别是对曾受过损伤的部位更要使用护具加强保护。由于业余运动员比赛场地条件有限，塑胶草地甚至水泥地使得膝、肘关节擦伤的机率增加，佩戴护膝和护肘也是很有必要的。2．4．5心理因素运动时的紧张会导致，身体肌肉僵硬，动作技术变形，很容易发生运动损伤。足球运动中被侵犯是很正常的，要学会控制自己的情绪，情绪的失控也会改变对动作技术的控制能力，甚至恶意犯规，往往使自己与对方的运动损伤机率增加。3总结与建议3．1业余运动员足踝、膝关节部位的运动损伤较多，需加强这些部位小肌肉群的锻炼。3．2正确认识准备活动与佩戴防护装备的重要性，特别是对曾有过损伤的部位更需注意。3．3树立乐观积极的运动健身心态，以达到健身效果、愉悦身心为第一目标。3．4加强自我保护技术动作和知识的学习，增强自我保护意思。3.5重视运动损伤治疗与学习损伤恢复知识。【参考文献】［1］FullerCW,EkstrandJ,JungeA,etal.Consensusstatementoninjurydefinitionsanddatacollectionproceduresinstudiesoffootball(soccer)injuries.BrJSportsMed,2006,40:193-201.［2］赖炳森，杜光宁，古文东，黄峰，叶佳春．不同层次足球运动参与者运动损伤的比较研究[J]．广州体育学院学报，2002，22(5)：82-85．［3］杜光宁，赖炳森，叶佳春，古文东，黄峰．大学生足球运动损伤的调查研究[J]．广州体育学院学报，2002，22(2)：94-97．［4］施连志．学生足球运动员运动损伤情况调查分析[J]．吉林体育学院学报，2010，26(4)：81-82．［5］吕康强．足球运动中膝关节半月板损伤的发生机理及预防[J]．广州体育学院学报，2003，23(5)：52-53．［6］尹克峰．大学生足球运动中下肢运动损伤调查与研究[J]．体育科技文献通报，2010(6)：32-33．［7］胡济群．高校足球运动损伤的调查分析[J]．北京体育大学学报，2001,24(3)：340-341．［8］陈铭芳，郭惠先．对广州大学生足球运动损伤的调查研究[J]．体育科技文献通报，2009(6)：48．［责任编辑：常鹏飞］3光纤传感器发展趋势3.1全光纤微型化：传感头由光纤构成且只使用1根光纤已成为发展趋势。全光纤传感头的体积小且工作可靠，由于目前光纤之间的熔接损耗为0．1dB左右，这样的损耗不影响探头的正常工作，目前，光纤之间的粘接技术和光纤端面抛光、镀膜等相关技术等都在研究中。3.2多参量实时化：1只传感器同时测量多个参量既减少测量装置的元件数量，又可避免多只传感器之间相互影响，因而，多只参量实时监测成为研究的热点。目前已有很多研究者在研究能进行温度、应力、应变同时测量的光纤光栅类传感器，并取得了一定