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光纖光柵傳感器技術(shù)及其工程的應用

1、在地球動(dòng)力學(xué)中的應用
　　在地震檢測等地球動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域中，地表驟變等現象的原理及其危險性的估定和預測是非常復雜的，而火山區的應力和溫度變化是目前為止能夠揭示火山活動(dòng)性及其關(guān)鍵活動(dòng)范圍演變的*有效手段心。光纖光柵傳感器在這一領(lǐng)域中的應用主要是在巖石變形、垂直震波的檢測以及作為地形檢波器和光學(xué)地震儀使用等方面?；顒?dòng)區的應變通常包含靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種，靜態(tài)應變（包括由火山產(chǎn)生的靜態(tài)變形等）一般都定位于與地質(zhì)變形源很近的距離；而以震源的震波為代表的動(dòng)態(tài)應變則能夠在與震源較遠的地球周邊環(huán)境中檢測到。為了得到相當準確的震源或火山源的位置，更好地描述源區的幾何形狀和演變情況，需要使用密集排列的應力－應變測量?jì)x。光纖光柵傳感器是能實(shí)現遠距離和密集排列復用傳感的寬帶、高網(wǎng)絡(luò )化傳感器，符合地震檢測等的要求，因此它在地球動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域中無(wú)疑具有較大的潛在用途。有報道指出，光纖光柵傳感器已成功檢測了頻率為0.1-2Hz，大小為10-9ε（應變）的巖石和地表動(dòng)態(tài)應變。
2、在航天器及船舶中的應用
　　先進(jìn)的復合材料抗疲勞、抗腐蝕性能較好，而且可以減輕船體或航天器的重量，對于快速航運或飛行具有重要意義，因此復合材料越來(lái)越多地被用于制造航空航海工具（如飛機的機翼）。
　　為全面衡量船體的狀況，需要了解其不同部位的變形力矩、剪切壓力、甲板所受的抨擊力，對于普通船體大約需要100個(gè)傳感器，因此波長(cháng)復用能力極強的光纖光柵傳感器*適合于船體檢測。光纖光柵傳感系統可測量船體的彎曲應力，而且可測量海浪對濕甲板的抨擊力。具有干涉探測性能的16路光纖光柵復用系統成功實(shí)現了在帶寬為5kHz范圍內、分辨率小于10nε/（Hz）1/2的動(dòng)態(tài)應變測量。
　　另外，為了監測一架飛行器的應變、溫度、振動(dòng)、起落駕駛狀態(tài)、超聲波場(chǎng)和加速度情況，通常需要100多個(gè)傳感器，故傳感器的重量要盡量輕，尺寸盡量小，因此*靈巧的光纖光柵傳感器是*好的選擇。另外，實(shí)際上飛機的復合材料中存在兩個(gè)方向的應變，嵌人材料中的光纖光柵傳感器是實(shí)現多點(diǎn)多軸向應變和溫度測量的理想智能元件。
3、在民用工程結構中的應用
　　民用工程的結構監測是光纖光柵傳感器*活躍的領(lǐng)域。力學(xué)參量的測量對于橋梁、礦井、隧道、大壩、建筑物等的維護和狀況監測是非常重要的。通過(guò)測量上述結構的應變分布，可以預知結構局部的載荷及狀況。光纖光柵傳感器可以貼在結構的表面或預先埋入結構中，對結構同時(shí)進(jìn)行沖擊檢測、形狀控制和振動(dòng)阻尼檢測等，以監視結構的缺陷情況。另外，多個(gè)光纖光柵傳感器可以串接成一個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò )，對結構進(jìn)行準分布式檢測，可以用計算機對傳感信號進(jìn)行遠程控制。
　　光纖光柵傳感器可以檢測的建筑結構之一為橋梁。應用時(shí)，一組光纖光柵被粘于橋梁復合筋的表面，或在梁的表面開(kāi)一個(gè)小凹槽，使光柵的裸纖芯部分嵌進(jìn)凹槽得以保護。如果需要更加完善的保護，則*好是在建造橋時(shí)把光柵埋進(jìn)復合筋，由于需要修正溫度效應引起的應變，可使用應力和溫度分開(kāi)的傳感臂，并在每一個(gè)梁上均安裝這兩個(gè)臂。
　　兩個(gè)具有相同中心波長(cháng)的光纖光柵代替法布里－珀羅干涉儀的反射鏡，形成全光纖法布里－珀羅干涉儀（FFH），利用低相干性使干涉的相位噪聲*小化，這一方法實(shí)現了高靈敏度的動(dòng)態(tài)應變測量。用FFPI結合另外兩個(gè)FBG，其中一個(gè)光柵用來(lái)測應變，另一個(gè)被保護起來(lái)，免受應力影響，以測量和修正溫度效應，所以FFP～FBG實(shí)現了同時(shí)測量三個(gè)量：溫度、靜態(tài)應變、瞬時(shí)動(dòng)態(tài)應變。這種方法兼有干涉儀的相干性和光纖布拉格光柵傳感器的優(yōu)點(diǎn)。已在5mε的測量范圍內，實(shí)現了小于1με的靜態(tài)應變測量精度、0.1℃的溫度靈敏度和小于1nε/（Hz）1/2的動(dòng)態(tài)應變靈敏度。
4、在電力工業(yè)中的應用
　　光纖光柵傳感器因不受電磁場(chǎng)干擾和可實(shí)現長(cháng)距離低損耗傳輸，從而成為電力工業(yè)應用的理想選擇。電線(xiàn)的載重量、變壓器繞線(xiàn)的溫度、大電流等都可利用光纖光柵傳感器測量。
　　在電力工業(yè)中，電流轉換器可把電流變化轉化為電壓變化，電壓變化使壓電陶瓷（PZT）產(chǎn)生形變，而利用貼于PZT上的光纖光柵的波長(cháng)漂移，很容易得知其形變，從而得知電流強度。這是一種較為廉價(jià)的方法，并且不需要復雜的電隔離。另外，由大雪等對電線(xiàn)施加的過(guò)量的壓力可能會(huì )引發(fā)危險事件，因此在線(xiàn)檢測電線(xiàn)壓力非常重要，特別是對于那些不易檢測到的山區電線(xiàn)。光纖光柵傳感器可測電線(xiàn)的載重量，其原理為把載重量的變化轉化為緊貼電線(xiàn)的金屬板所受應力的變化，這一應力變化被粘于金屬板上的光纖光柵傳感器探測到。這是利用光纖光柵傳感器實(shí)現遠距離惡劣環(huán)境下測量的實(shí)例，在這種情況下，相鄰光柵的間距較大，故不需快速調制和解調。
5、在醫學(xué)中的應用
　　醫學(xué)中用的傳感器多為電子傳感器，它對許多內科手術(shù)是不適用的，尤其是在高微波（輻射）頻率、超聲波場(chǎng)或激光輻射的過(guò)高熱治療中，由于電子傳感器中的金屬導體很容易受電流、電壓等電磁場(chǎng)的干擾而引起傳感頭或腫瘤周?chē)臒嵝?，這樣會(huì )導致錯誤讀數。為測定高頻輻射或微波場(chǎng)的安全性，需用超聲波傳感器檢測一系列醫療（包括超聲手術(shù)、過(guò)高熱治療、碎結石手術(shù)等）中所用的超聲診斷儀器的性能。近年來(lái)，使用高頻電流、微波輻射和激光進(jìn)行熱療以代替外科手術(shù)越來(lái)越受到醫學(xué)界的關(guān)注，而且傳感器的小尺寸在醫學(xué)應用中是非常重要的，因為小的尺寸對人體組織的傷害較小，光纖光柵傳感器是目前為止能夠做到的*小的傳感器。光纖光柵傳感器能夠通過(guò)*小限度的侵害方式測量人體組織內部的溫度、壓力、聲波場(chǎng)的精確局部信息。到目前為止，光纖光柵傳感系統已經(jīng)成功地檢測了病變組織的溫度和超聲波場(chǎng)，在30℃－60℃的范圍內，獲得了分辨率為0.1℃和精確度為±0.2℃的測量結果，超聲場(chǎng)的測量分辨率為10-3atm／Hz1/2，這為研究病變組織提供了有用的信息。
光纖光柵傳感器還可用來(lái)測量心臟的效率。在這種方法中，醫生把嵌有光纖光柵的熱稀釋導管插入病人心臟的右心房，并注射人一種冷溶液，可測量肺動(dòng)脈血液的溫度，結合脈功率就可知道心臟的血液輸出量，這對于心臟監測是非常重要的。
6、在化學(xué)傳感中的應用
　　光纖光柵傳感器可用于化學(xué)傳感，因為光柵的中心波長(cháng)隨折射率的變化而變化，而光柵間倏失波的相互作用以及環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)的濃度變化都會(huì )引起折射率的變化。
　　長(cháng)周期光柵（long period fiber grating，LPFG）與布拉格光纖光柵一樣，也是由光纖軸向上產(chǎn)生周期性的折射率調制而形成，其周期一般大于100μm.它的耦合機理是：向前傳輸的纖芯基模被耦合入幾個(gè)特定波長(cháng)的向前傳輸的包層模，包層模很快損失掉，所以L(fǎng)PFG基本上沒(méi)有后向反射，在其透射譜中有幾個(gè)特定波長(cháng)的吸收峰。LPFG對光纖包層材料折射率的變化比上述的光纖布拉格光柵更為敏感，包層材料折射率的任何變化都會(huì )改變傳輸光譜的特性，使吸收峰發(fā)生改變，所以長(cháng)周期光柵折射率測量系統的分辨率可實(shí)現10－7的靈敏度。目前已經(jīng)用長(cháng)周期光柵測出了許多化學(xué)物質(zhì)的濃度，包括蔗糖、乙醇、己醇、十六烷、CaCl2、NaCl等，原則上，任何具有吸收峰譜并且其折射率在1.3和1.45之間的化學(xué)物質(zhì)都可用長(cháng)周期光柵進(jìn)行探測。
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