浅谈光纤光栅传感应用技术及应用前景

马强

摘要：光纤光栅传感器作为一种新型的光纤传感器具备可靠性强、精度高、防水性强、灵敏度高、受外界环境因素影响小、易于组建传感网络等特点，而且光纤光栅传感器应用的领域更广，潜力更大，在石油化工、电子信息、地质勘探等領域应用广泛，并有学者将光纤传感器技术应用于地震监测，取得较理想的效果。本文主要介绍了光纤光栅传感的特点、工作原理与光纤光栅传感技术的应用，讨论了光纤光栅传感技术的应用前景。

关键词：光纤光栅  传感  应用技术  应用前景

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

光纤光栅传感技术主要是以光信号的形式进行传输，光纤光栅传感技术从本质上来说不受电磁干扰，抗干扰能力强;光纤光栅传感器可以做到较小的体积，并可实现对轨道交通结构在无任何损伤的情况下进行安全合理的布设;采用波长编码的形式，可以实现准分布式实时监测;同时光纤光栅传感技术还具有精度高、可靠性高等优点，可以进行应力、应变、位移、加速度、温度等多种参量的实时监测[1]。光纤光栅传感器的反射光波长对温度、应变等外界环境因素敏感性高，因此能以高分辨率测量许多物理参数[2]。通过飞秒激光等技术，就可以实现低成本、大批量化的生产光纤光栅传感器。通过激光扫描等技术，就可以实时高精度的监测相关信息。光纤光栅传感技术可以利用一根光纤，通过串联的方式，实现多点位实时测量，在石油化工、电子信息、地质勘探等众多领域被广泛应用。

1光纤光栅传感的特点

光纤光栅传感器作为一种新型的传感器，其主要特点是可靠性强、精度高、受外界环境影响小、易于组建传感网络等，在石油化工、电子信息、地质勘探等领域应用广泛[3]。目前已有研究学者将光纤传感器技术应用于地震实时监测系统当中，并且取得了比较理想的效果。近几年来光纤光栅传感器应用越来越广泛，并逐步在目前市场上对现有的传统的电传感器进行了更新替代，与传统的电传感器相比较，光纤光栅传感器主要优点有以下几点。

（1）光纤自身纤细，具有经久耐用、安全可靠、性能十分稳定的特点。与其相对应的光纤光栅传感器具有非传导性、质量轻、可靠性强、精度高、受外界环境影响小、易于组建传感网络等特点，并对布置部位数和被测对象影响较小，易于埋设并对埋设对象基本无任何损伤。基于这些特点使光纤光栅传感器其更适合在煤炭勘测、电力设施监测、油库油站监测、矿下井下安全作业、气罐和油罐监测、隧道和桥梁冲击、振动阻尼、形状控制检测等恶劣、高风险的环境中进行实时监测工作。

（2）光纤光栅传感器具有故障率低、维护性强、性价比高、可靠性好、敏度高、寿命长等特点，并能在建筑物内部进行多位置的布设，并可以进行多参数的独立监测，对外提供实时监测信息。

（3）光纤光栅传感器的传感探头外形简洁、质量轻盈、材质柔软、安装便捷，可装设于各种复杂的环境和场所，埋设于隧道、桥梁等建筑物内部，对隧道、桥梁等建筑物内部进行冲击和形状控制进行连续实时监测，发现问题实时进行预警提示，及时进行人为干预，从而消除安全隐患，确保建筑物结构的完整性、安全性。光纤光栅传感器的传感探头性能稳定，重复性强。由于光纤光栅传感器的传感探头监测信息是通过波长进行编码，因此其不受光纤连接器耦合损耗和光源的光强波动等因素的干扰，光纤光栅传感器的传感探头抗干扰能力比较强。

2光纤光栅传感器的工作原理

通过光诱导作用下，在掺加锗材料的光纤中产生出了光栅效应，1978年，Hill等研究人员在进行实验时偶然发现了这一现象，世界上第一根光纤光栅从此被成功地制作出来[4]。大量的研究人员开始深入研究探索光纤光栅的基本原理、制作方法和光纤光栅技术的实际应用，并且进行了大量的技术改进和完善工作。石英是构成光纤的主要材料，主要是由芯层和包层组成，外层通过涂覆层进行保护。光纤光栅的种类比较繁多，其中最为典型的也是发展最早的光纤光栅就是光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG），FBG也是应用最广泛的光纤光栅之一。

与其他传统的传感设备相比，光纤光栅传感器主要是基于光纤传输的特性，它最早起源于光纤通信技术，通过多年的探索实践和应用研究，目前已经被广泛使用。 例如在石油化工、电子信息、地质勘探、土木和道路桥梁工程的检测中经常使用。光纤传感器中的光纤和一般通信中的光纤结构十分相似，分为3个部分：纤芯、包层和涂覆层。光纤纤芯以二氧化硅为主，基于全内反射物理原理，特定的光波会在纤芯中传输[5]。由于纤芯存在着光敏感这一特性，根据光源的不同，光纤折射率进而会随之进行相应的改变，因此温度、湿度、变形、张力发生变化的量测，可以通过光纤光栅中波长的变化，从而进行精准的量测。光纤光栅传感器结构非常简单，光纤光栅传感器可以做到较小的体积，光纤光栅传感器还具有可靠性强、精度高、防水性强、灵敏度高的特点，并且相比较其他类型的传感设备，光纤光栅传感器的稳定性好、可靠度高、受外界环境因素影响小、易于组建传感网络，在实际应用中可在建筑物内部进行多位置的布设，并可以进行多参数的独立实时监测，从而在复杂的建筑物结构中充分发挥其能力。

3光纤光栅传感技术的应用

20世纪末期，光纤光栅传感技术出现以后，并逐步进行了实践应用。由于光纤光栅传感技术具有可靠性强、精度高、防水性强、灵敏度高、受外界环境影响小、易于组建传感网络等特点，光纤光栅传感技术大规模地应用在洞室、隧道安全性、稳定性方面的监测，对洞室、隧道周围岩（土）体有影响的岩（土）体进行实时变形监测[6]。国内的北京品傲光电科技有限公司、武汉理工光科股份有限公司、上海波汇科技有限公司、国外的美国MOI、SmartFiber、加拿大FISO等科研机构和研发企业主要从事光纤光栅传感器的生产和应用研究。

3.1在土木工程中的应用

利用光纤光栅传感器对隧道、桥梁、建筑物等进行多点位实时监测，可以获取相关建筑物的载荷及健康状况信息。在土木工程建设过程中可以提前将光纤光栅传感器埋入相关建筑物的结构中，也可以等项目竣工后把光纤光栅传感器贴附于相关建筑物表面进行实时监测。通过串联组建传感网络的方式，可实现利用计算机对建筑物结构进行分布式的监测及远程数据信息的实时监控。

3.2在电力设施中的应用

在电力行业中，最典型的应用就是利用光纤光栅传感器测量高压变压器绕阻热点的温度，从而进行故障的诊断和预警，实时对电力设施的安全运行进行监测，保持电力设施在最佳功率状态下进行工作。

3.3在钢铁冶炼中的应用

在钢铁冶炼企业的钢液浇铸生产作业过程中，通过光纤光栅传感应用技术，研制出光纤漏渣检测装置对相关参数信息进行实时监测，可以有效防止钢液被氧化、提高生产加工产品的品质，防止在生产作业过程中铸坯出现质量问题及误判漏渣的问题。

3.4在生产过程中对设备安全性进行监测的应用

光纤光栅传感器是具有防火防爆特点的器件，性能安全、稳定、可靠。在企业生产过程中，利用光纤光栅传感器防火防爆特点和性能安全、稳定、可靠这一特性，可以对反应罐等高温高压状态的设备表面进行感温网格多点位的铺设，对反应罐等高温高压状态的设备的表面温度等特性进行实时监测，可相对精准地发现安全问题，及时进行预警，消除安全隐患，保证反应罐等高温高压状态的设备的正常工作。

3.5在河道湖泊遥感中的应用

通过光纤光栅水位传感器，对河道、湖泊及城市污水管网进行实时监测，监测数据相对传统传感器精度要更高，当水位发生变化时会引起FBG的拉伸或压缩，对水位进行实时的遥感遥测。

3.6在航空航海中的应用

光纤光栅传感器在航空、航海中应用比较广泛。在航空中，利用光纤光栅传感器对飞行装置的升空及降落、运行幅度、运行速度、加速情况、温度、湿度等信息进行实时监测。根据对飞行装置的监测参数要求，一般需要近百个传感器，因光纤光栅传感器质量轻盈、材质柔软、安装便捷，所以是最好的选择;光纤光栅传感器在航海中多用对船只的性能、运行速度、海浪对船只的冲击情况等进行实时监测。

4 光纤光栅技术应用前景

目前我国要求在石油勘探、电力设施、隧道、桥梁、轨道交通等消防方面配备消防安全预警信息化应用系统，光纤光栅传感技术作为新一代的传感技术具有可靠性强、精度高、防水性强、灵敏度高、受外界环境影响小、易于组建传感网絡等特点，而且光纤光栅传感技术应用的领域更广，潜力更大，光纤光栅传感技术也迅速在这些行业的领域奠定了应用基础，光纤光栅传感技术的应用正在快速发展。

5结语

光纤光栅传感器虽然有很多的优点，但是目前光纤光栅传感器相关的一些应用技术不太完善，光纤光栅传感器进行推广应用受到了一定的局限。光纤光栅传感器的价格也相对比较高，这对光纤光栅传感器的推广应用市场也有一定影响，这就需要下一步从光纤光栅传感器基应用原理、应用材料和研发制作工艺等方面严格把控其成本，研发制造出适合光纤光栅传感器应用市场的性能优、价格低的光纤光栅传感器。随着现代科学技术水平的不断提高，光纤光栅传感应用的新技术、新工艺、新成果的进一步涌现，将来光纤光栅传感器会在更多领域进行应用推广，从而替代传统的传感器，光纤光栅传感器应用在土木工程、健康医疗、石油勘探、电力电气设备、电子信息、生物医药等众多领域的市场份额将会进一步大幅增长，与其相对应的技术成果转化也将进一步加快。

参考文献

[1]崔鹏，徐成成.光纤光栅传感技术在轨道交通领域的应用研究[J].交通科技与管理，2021（7）：9-10.

[2]关升，刘国明，顾国辉，等.应用于火山活动监测的分布式光纤光栅传感技术[J].地震地磁观测与研究，2021，42（2）：158-159.

[3]赵臻.光纤光栅传感技术在口腔研究领域的应用进展[J].口腔医学研究，2020，36（1）：10-12.

[4]吕磊，陈剑.光纤光栅传感技术在水工结构监测中的应用研究[J].中国建材科技，2020，29（1）：19-20.

[5]钱文文，余晓芬，夏忠诚，等.光纤光栅传感技术在医疗设备领域的应用[J].中国医学装备，2019，16（10）：153-156.

[6]张宇，史波，汤国强.光纤光栅传感技术在洞室围岩变形监测中的应用[J].人民长江，2019，50（8）：126-130.

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