光纤光栅传感器


  光纤光栅是20 世纪90 年代发展起来的一种新型全光纤无源器件。1978 年国外科学家第一次发现光纤光敏特性并利用紫外线曝光首次制作反射率为90 %的Bragg光纤光栅,之后世界各国开始了光栅的机制、技术及其应用研究。1993 年发明掩膜制造法,使光纤制造技术得到重大的发展,使光纤光栅的批量生产成为可能。之后,光纤光栅器件逐步走向实用化。2000 年以后,国内的多家科研院所也成功地实现了光纤光栅的产品化。  

  光纤光栅是一种光无源器件,它是在光栅中形成折射率性变化的相位光栅。

  即光纤光栅是光纤纤芯折射率受到永久的周期性微机而形成的一种光纤无源器件,它能将入射光中某一特定波长的光部分或全部反射。它具有体积小、重量轻、与光纤兼容、插入损耗低、性能长期稳定,与被传感物高度绝缘,传感器本身不带电,具有良好的防爆性能等特点。因此,它的优越性是其他许多器件无法替代的。

  光纤光栅在光纤中传播时的光波波长,因外界因素如温度、压力、磁场、电场、位移等的作用而间接或直接地发生变化,从而可将光纤光栅用作传感器元件来探测各种待测量(物理量、化学量和生物量) ,这就是光纤传感器的基本原理。根据这些特性,可将光纤光栅制作成应变、温度、压力、加速度等多种传感器。

  近来,有学者发现,光纤光栅在光纤中传播时的光波波长具有磁致伸缩的特性,用这一特性可测量电力系统中220kV 以上的超高压和,即超高压和电流器。如果这一技术得以产品化,将会为电力设备的发展带来一次飞跃。

  光纤光栅传感器基本信号调理结构框图如附图所示。

  不同的光纤光栅传感器可具有不同的工作波长。因此可以利用波分复用技术,在一根光纤级联多个光纤光栅传感器作分布式测量。例如,我们可以将一个炼油厂的数百个反应塔的温度测量点通过光纤串连起来,只用一台光学分析仪进行全厂实时温度检测。

  一、光纤光栅传感器的主要优点有:

  1. 全光纤无源器件,抗电磁干扰,可用于一些恶劣环境的测量;
  
  2. 与光纤兼容,传输损耗低,容易实现对被测信号的远距离检测;
  
  3. 为波长检测器件,感应光信号与传输线路损耗无关;
  
  4. 灵敏度高,长期稳定性好;
  
  5. 耐腐蚀,可靠性高;
  
  6. 反应灵敏,可实时测量;
  
  7. 可级联使用,作分布测量。

  二、光纤光栅传感器应用十分广泛,并且特别适合于强电磁场、腐蚀等恶劣或特殊的环境中。它的主要应用范围如下:

  1. 土木工程:如桥梁、大坝、堤岸、大型钢结构等的健康安全监控;
  
  2. 航天工业:如飞机上压力、温度、振动、燃料液位等指标的监测;
  
  3. 船舶航运业:如船舶的损伤评估及早期报警;
  
  4. 电力工业:由于光纤光栅传感器根本不受电磁场的影响,所以特别适合于电力系统中的温度监控;
  
  5. 石油化学工业:光纤光栅本质安全,特别适合于石化厂、油田中的温度、液位等的监控;
  
  6. 遥测核磁共振机中实地温度,可进行心脏有效率的测量等;
  
  7. 核工业中的应用:监视废料站的情况,监测反应堆建筑的情况等;
  
  8. 光纤光栅还可以应用于水听器、机器人手臂传感、安全识别系统等。