１４６ 应用科学 ２科０技１０辜鳞８年第期 蟊 光纤光栅传感技术的应用与研究 黄淮 （北京交通大学电子信息工程学院，北京１０００４４） 摘要光纤光栅传感技术是十多年来发展最为迅速的技术之一，具有损耗低、可远程测量、柔软易挠曲、耐腐蚀、抗电磁干扰、易于复用 组网等一系列优点，而且适合于在易燃、易爆、高温、高压、强电磁干扰等恶劣的环境中工作，是目前传感器领域研究的一个热点，简要 地阐述光纤传感器的工作原理，概述光纤传感器的实际应用。 关键词光纤光栅；传感器；原理；应用实例 中圈分类号ＴＰ２ 文献标识码Ａ 文章编号１６７３—９６７１一（２０１０）０４２—０１４６—０ｌ 自从１９７８年发明在光纤中形成光致布拉格光栅以来，光纤光栅在光 纤通信和传感中已得到大量应用。其主要的优点包括：体积小、耐高温、 轻巧隐蔽，可以把它置于很小的空间，甚至嵌入到复合材料中：抗电磁 干扰、耐化学腐蚀、传输带宽宽、传输损耗小。因此，光纤光栅传感器 特别适合于对民用市政工程，航天器、飞机、轮船、矿业、制造业生产 线、管道设施和核电厂等进行安全监测和自动控制．光纤光栅传感器可以 探测多种物理量，如温度、应变、压力和电磁场等回。 本文简要地阐述了光纤光栅传感器的工作原理，概述了光纤光栅传 感器的实际应用，着重给出了光纤光栅传感器的应用实例。 ＡＡＢＡＢ＝（１一 ）￡＋（亭＋口）Ａ丁 式中，姥为光纤布拉格光栅轴向应变；Ａ７为温度变化量； 为有 效弹光系数；亭、 分别为光纤布拉格光栅的热光系数和热膨胀系数。 ２光纤光拥传感器的应用实例 ２．１光纤光栅传感器的应用概述 些类型的光纤光栅传感器已经商业化，虽然其在性能和功能方面 一还需要不断提高，但可以说光纤光栅传感技术己开始向成熟阶段。本 文分两个部分介绍光纤光栅传感器在民用工程结构和航天器中的应用实 例。 ２．２民用工程结构中的应用 １光纤光■传感原理 由光纤光栅传感器构成的测量系统的测量原理是利用光纤光栅传感 器对应力应变的敏感作用，将被测应力应变物理量直接变成光学量进行 测量，或者说变应力应变测量为光波波长的测量，由此带来一系列的优 点，如：全光测量，在监测现场无电气设备，不受电磁及核辐射干扰； 无零点漂移问题，长期稳定；以反射光的中心波长表征被测物理量，不 受光源功率波动、光纤微弯效应及耦合损耗等因素的影响；系统安装及 长期使用过程中无需定标；使用寿命长等。这些优点可以解决电学量应 力应变系统存在的固有问题。 光纤是光导纤维的简称，它是工作在光波波段的一种介质波导，通 常是圆柱形。它把以光出现的电磁波能量利用全反射的原理约束在其界 面内，并引导光波沿着光纤轴线的方向前进。光纤的基本结构是两层圆 柱状媒质，内层为纤芯，外层为包层；纤芯的折射率ｎ１，比包层的折射 率ｎ２稍大，当满足一定的入射条件时，光波就能沿着纤芯向前传播。光 纤光栅传感的原理如图１所示。 走孵 嚣藏静●穗蘑 民用工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域。 目前，应用光纤光栅传感器最多的领域当数桥梁的安全监测。２００３ 年８月，上海紫珊光电技术有限公司宣布其自主研发的光纤光栅传感器 成功应用于上海卢浦大桥的动态应变测量，并获得了准确可靠的数据， 卢浦大桥于２００３年６月建设完工，全长３４００ｍ，主桥长７５０ｍ，主桥巨型钢 跨径５５０ｍ。成为世界上跨度最大的钢结构拱桥。 ２．３航空航天业中的应用 美国国家航空和宇宙航行局对光纤光栅传感器的应用非常重视，他 们在航天飞机｜）（一３３上安装了测量应变和温度的光纤光栅传感网络，对航 天飞机进行实时的健康监测。ｘ一３３是一架原型机，设计用来作“国际空 间站”的往返飞行。 ３结束语 随着光纤传感技术的飞速发展，光纤光栅传感器还在其他领域得到 了应用，并且在许多方面的性能都比传统的机电类传感器更稳定、更可 靠、更准确。总之，光纤光栅传感器的应用是一个方兴未艾的领域，有 着非常广阔的发展前景。 参考文献 【１］ＦｒｉｅｂｅｌｅＰ，ｅｔ ａ１．．Ｆｉ ｂｅｒＢ ｒａｇｇｇ ｒａｔｉｎｇｓｔ ｒａｉｎｓ ｅｎｓｏｒｓ：ｐｒ ｅｓｅｎｔａｎ ｄｆｕ ｔｕｒｅａｐ ｐｌｉｅａｉｔｏｎｓｉｎ ｓ ｍａｇｓ ｔｒｕｅｔｕｒｅｓ［Ｊ］．Ｏｐｉｔｃｓａｎ ｄＰ ｈｏｔｏｎｉｅｓＮｅｗｓ，１９９８，９． 口】Ｓｌｏｗｉ ｋＶ，ｅｔ ａｌ￣ＦｉｂｅｒＢ ｒａｇｇＧ ｒａｉｔｎｇＳ ｅｎｓｏｒｓｉｎ Ｃ ｏｎｅｒｅｔｅＴ ｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］． ＬＡＣＥＲ，１９９８，３． 图１光纤光栅传感原理 当带宽光源照射光纤光栅时，满足布拉格条件的光将发生反射， 即： ［３］ＥｅｋｅＷ，ｅ ｔａ１．ＯｐｉｔｅａｉＦｉ ｈｒｅＧ ｒａｉｔｎｇＳ ｔｒａｉｎｓ ｅｎｓｏｒＮ ｅｔｗｏｒｋｆｏ ｒＸ－３８Ｓ ｐａｅｅｅｒａｆｔＨ ．：ｌＢ＝＝＝２ｎ￣ｆＡ （１） ｅａｈｈＭ ｏｎｉｔｏｒｉｎｇ［Ａ］．Ｐｒｏｅ．ｏｆ ｔｈ ｅＳ ＰＩＥ［Ｃ］．２０００，４． 式中， Ｂ为光纤光栅的中心反射波长；籍 为纤芯的有效折射率； 【４惆振安，刘爱英．光纤光栅传感器用于高精度应变测量研究【ＪＩ．地球物理学进 展，２００５，２０，３． ［５］Ｃｈａｎ Ｔ Ｈ Ｔ，Ｙｕ Ｌ，Ｔａｍ Ｈ Ｙ．Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇｓｅｎｓｏｒｓ ｆｏｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｈｅａｌｔｈ ＾为光栅的周期。从方程（１）可以看出任何能够改变光栅有效折射率 或光栅周期的物理量都能改变光栅中心波长。应变（或应力）和温度是 最能直接显著改变布拉格光栅波长的物理量。其引起的光纤光栅布拉格 波长的漂移可表示为： Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ Ｔｓｉｎｇ ＭａＢｒｉｄｇｅ：Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ［Ｊ］． Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００６，２８． （上接第１ｌ１页） ２９００．１４ＫＪ／ｋｇ的过热蒸汽温度为２４２￣Ｃ，小于分汽缸设计温度２５０￣Ｃ，所以 现有分汽缸能够满足此时生产需要。 ４）过热蒸汽安全阀计算公式如下： Ａ：—— ４９０・３ …额定ｊｊ暾量ｇ ＿９５ 过热蒸汽校正系数 可取０．８＿＿０．８８ 审 安全阀排放压力Ｐｌ＝２．１ＭＰａ 故Ａ＝１０．４８－１ １．５３ｃｍ２ 查表确定可选用喉部直径为５０ｍｍ，即人口公称通径为ＤＮ８０的弹簧 全启式安全阀，阀门型号为Ａ４８Ｙ—４０。 该公司根据以上计算结果对电站蒸汽出口参数调整后，实际生产运 行情况与以上计算结果基本符合。因此，以上计算方法可以应用于实际 生产的蒸汽管道复核计算。
