光纤光栅传感技术应用研究

信　技　光纤光栅传感技术应用研究　口文／马（石家庄市自动化研究所强　河北－石家庄）　［提要］光纤光栅传感技术是近年　济效益好、渗透能力强、市场前景广等特　面积的、同时的多点测量。这对于大型土　来发展起来的一门新技术．本文在分析光　点为世人所瞩目。　纤光栅传感技术优势的基础上，综述光纤　一木结构的健康检测等方面有着重要的应　用。因此，人们十分重视该领域的研究，并　３、与光纤之间存在天然的兼容性，易　高。　４、传感探头结构简单、体积小、重量　、光纤光栅传感的优势　光栅传感技术的应用，讨论光纤光栅传感　题，并对其应用前景做了展望．　关键词：光纤光栅；传感技术；应用研究　中图分类号：Ｆ４９文献标识码：Ａ　收录Ｅｔ期：２０１２年６月８日　作为光纤传感器的一种，近年来发展　且它已成为传感领域的重要组成部分。　是因为它与传统的电传感器等相比有其　与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性　独特的优点。　１、具有非传导性，对被测介质影响　　器在应用研究过程中需要解决的关键问　十分迅速，它之所以有这样迅猛的发展，小，又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点，适　轻、外形柔软可变，适于各种场合，尤其是　合在煤气附近、电站、核设施、矿井下、油　智能材料和结构。便于埋入复合材料构件　光纤光栅是近年来发展极为迅速的　田以及油罐周围等恶劣、高危险环境中工　及大型建筑物内部，对结构的完整性、安　一这一方面是因为普通　全性、载荷疲劳、损伤程度等状态进行连　种新型光纤无源器件。由于光纤光栅具　作。抗干扰能力强，忽略光纤　续实时监测。稳定性高，重复性好。测量信　有高灵敏度、低损耗、易制作、性能稳定可　光纤不会影响光波的频率特性（靠、易与系统及其他光纤器件连接等优　的非线性效应）；另一方面光纤光栅传感　息是波长编码的，所以光纤光栅传感器不　点，因而在光通信、光纤传感等领域得到　系统从本质上排除了各种光强起伏引起　受光源的光强波动、光纤连接器耦合损　　了广泛应用。光纤光栅是利用光纤材料的　的干扰。耗、弯曲损耗以及光波偏振态的变化等因　５、测量信息是波长编码的，所以光纤　光敏特性，在光纤的纤芯上产生空间周期　２、光纤轻巧柔软，可以在一根光纤中　素的影响，有较强的抗干扰能力。　性或非周期性折射率变化而制成的。光纤　写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复　光栅传感器是近几年发展最快、最先进的　用和时分复用技术相结合，实现多点、分　光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连　光纤无源器件之一，光纤光栅传感器产业　布式传感。便于构成各种形式的光纤传感　接及耦合损耗以及光波偏振态的变化等　有较强的抗干扰能力。　已被国内外公认为是最具有发展前途的　网络，尤其是采用波分复用技术构成分立　因素的影响，高新技术产业之一，它以技术含量高、经　式或分布式光纤光栅传感器阵列，进行大　６、高灵敏度、高分辨率。该类传感器　限于教学任务中理论教学仍占较大比重，　情况下，可以采取聘任兼职教师的方法。兼职　校应制定“双师型”教师的相应激励机制。例　　如，在教师按培养计划到企事业单位参加实践　不可能派遣所有的教师去参与实习基地的实　教师在教学中同时也没有脱离会计实践岗位，　践教学，各高校在选择培养双师型教师时，可　通过兼职教师也可以收集、反馈用人单位信　锻炼期间，学校也应当视情况给予适当补助。及时调整课程结构，增加　实用”内容，促进　在晋升职称、绩效考核等方面给予“双师型”教　挑选有优势、有意愿的老教师担任指导教师，　息，　师相对优厚的待遇，以促进“双师型’镦师的发　通过以老带新、教学观摩、互相切磋等方式，全　教学质量的提高。另外，就教师聘用成本而言，面提高专业教师的专业实践技能和水平。　一个兼职教师要比一个专职教师成本低得多。　展，同时保证师资队伍结构的稳定。　如美国社区　２、改革教师聘任机制，完善教师队伍结　国外高校比较普遍采用这种形式，３，其他　主要参考文献：　构。教师的招聘可以参考公务员招聘制度，通　学院的教师中兼职教师占了总数的２／０：５０到　［１】崔杰，刘长平，喻黎霞．新建应用型本科院　过设定学历条件的公开招考，可以避免教师来　高校专职教师与兼职教师的比例从５７０不等。加拿大社区学院兼职教师的比例　校双师型教师培养途径与策略．网络财富，　源的单一化，从企事业单位引进实践经验丰　３０：富、熟悉财务管理的专业技术人员，充实到教　也达到８０％以上。因此，引进兼职教师不失为　学一线，引进后需要进行教师岗位培训，具备　一２０１０．１５．　种两全其美的措施。　【２】邓亦文，易冰娜．谈应用型本科会计实践师　教师任职资格后方可上岗。这样可以迅速改变　师资队伍结构，提高教师队伍实践能力素质。　３、制定“双师型　教师激励机制。为了激励　资队伍建设．财会月刊，２０１１．２７．　３】郭静．论应用型本科院校“双师型”教师队　教师积极成为“双师型”教师，提高教学效果，　［０．２９．　当然，在当前人事编制的限制无法突破的　实现应用型本科会计专业的人才培养目标，学　伍的建设．华章，２０１固　《合作经济与科技》２０１２年９月号下（总第４４９期）　信　技　的信息载体是光，无论以波长还是相位为　的硫化，在轮船的试用期担当监测任务，　析和测试系统的研究，目标是开发低成　检测对象都具有非常高的传感精度。即便　测量船体的弯曲应力，测量海浪对甲板的　本、小型化、可靠及灵敏的探测技术；三是　检测其振幅或强度，若有效的运用具有高　抨击力。　光纤光栅传感器实用技术的研究，包括封　分辨率的光电仪器，也可对某物理量的检　３、在土木工程领域中的应用。光栅传　装技术、温度补偿技术和传感网络技术。　测具有非常高的精度。　感器具有很好的检测精度、线性响应和重　工业施工现场环境比较恶劣，光纤纤细易　正是由于具有这么多的优点，近年来　复性，可以为工程结构监测提供数据，在　断，采用先进的封装工艺使得光纤光栅传　光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航　一定程度上为实现长期监测提供了保障。　感器在恶劣的环境中正常工作尤为重要。　空航天等领域的健康监测，以及能源化工　大型土木工程结构和基础设施（如桥梁、　另外，应变、温度交叉敏感的问题解决的　等领域得到了广泛的应用。　超高层建筑、大型水坝等建筑）在其长期　好坏直接影响到光纤光栅传感器的实用　二、光纤光栅传感技术的应用　的服役过程中，结构不可避免地产生损伤　化，而且，多参量同时传感是发展方向。光　１、在电力系统的应用。光纤光栅传感　积累，抗力减小，如不能了解结构的健康　纤光栅传感器相对于其他传统传感器的　器在电力上的应用，主要是通过对温度的　情况，一旦事故发生就会带来巨大的损　一个重要优势在于可以很方便地构成网　测量实现对电力设备的实时安全检测。光　失。光纤光栅传感器的独特优点使得它们　络，实现分布式传感，因此，发展网络技术　纤光栅传感器检测的电力设备包括高压　很容易粘贴于结构表面或者嵌入结构内　势在必行。　开关柜隔离触头断路器、线夹、隔离刀闸、　部，实现对结构状态的实时分布式监测。　虽然光纤光栅传感器具有很多优点，　互感器、变压器、电抗器、阻波器等。对这　光栅光纤传感器在工程施工期间，可以进　但是，目前一些实用技术还不成熟，影响　些电力设备进行温度的在线监测，诊断过　行实时监测，在工程建成之后，可以监测　了光纤光栅传感器从实验室走向实际应　热的原因，再经过处理分析故障，从而实　结构的健康状况以及载荷分布情况。　用。另外，偏高的市场价格也影响了其在　现真正意义的在线安全监测。　４、在石油工业中的应用。光纤光栅传　国内的应用，这有待从原理、原材料和制　光纤光栅传感器具有良好的抗电磁　感器非常适合在石油领域里应用。油井井　作工艺等方面入手，降低生产成本，研制　干扰性，是电力工业中有关参数监测的理　温在石油勘探、开采和生产中是一个极其　出适合中国传感器市场的优质低价光纤　想传感元件。在电力工业中，电流转换器　重要的参数，它对确定油层位置、厚度、含　光栅传感器。　可把电流变化转化为电压变化，电压变化　水地层的深度等具有决定性的意义，分布　为了进一步发展光纤光栅传感器，还　使陶瓷（ＰｚＴ）产生变形，贴于ＰＺＴ上的光　式光纤光栅测温系统为井温测量提供了　要做许多研究工作。一是继续深入研究光　纤光栅产生波长漂移，从而得知电流强　一种全新的手段，系统使用柔软、芯径细　纤光栅的基本性能，包括传感机理、工艺　度。光纤光栅传感器在长距离电力输电线　小、本身绝缘并与光纤光栅天然相容的光　技术增敏去敏方法、多参量同时测量途径　载荷以及电力变压器绕组的分布式实时　纤作为感知并传送信号的媒体，可以在恶　等；二是加强光纤光栅波长检测技术的研　监测方面具有独特的优势。光纤光栅传感　劣的环境下对形状复杂的温度场进行实　究，促进光纤光栅传感及其网络技术的发　器可测电线的载重量，其原理为把载重量　时快速地检测和定位。　展；三是完善现有的光栅写入方法及其封　的变化转化为紧贴电线的金属板所受应　５、在医学领域中的应用。光纤光栅传　装技术，研究新的写入方法，尤其是非均　力的变化，这一应力变化被黏于金属板上　感器是目前为止最小的传感器，能够通过　匀光栅的写入方法，降低成本，提高寿命。　的光纤光栅探测到。这是利用光纤光栅传　最小限度的侵害方式测量人体组织内部　随着科学技术的不断发展，光纤光栅　感器实现远距离恶劣环境下测量的实例。　的温度、压力、声波场的精确局部信息。此　传感技术的新成果不断涌现，相信在不久　２、在航天器及船舶中的应用。光纤光　点在医学领域中非常重要，因为小的尺寸　的将来光纤光栅传感器势必在很多领域　栅传感器非常适合在航天器中应用。光纤　对人体组织的伤害较小。光纤光栅传感系　取代传统的传感器。其在桥梁、土木结构、　光栅传感器在航天器中监测飞行器的应　统已经能成功地检测病变组织的温度和　大型装备、电力、高压电气设备等领域的　变、温度、振动、起落驾驶状态、超声波场　超声波场，为研究病变组织提供信息。巴　市场占有率将会快速增长，相对应的新技　和加速度等情况。因为传感器的重量要尽　西的Ｗｅｈｒｌｅ等人用弹性胶带将光纤光栅　术成果的生产力转化将会更多、更快。　量轻，尺寸要尽量小，因此，灵巧的光纤光　应变传感器固定在病人的胸部，通过胸腔　栅传感器是最好的选择。为了监测一架飞　的变化，测量呼吸过程的频谱。　主要参考文献：　行器的应变、温度、振动、起落驾驶状态、　三、光纤光栅技术未来发展前景　…１赵勇．光纤光栅及其传感技术［Ｍ】．北　超声波场和加速度等情况，通常需要１００　由于光纤光栅传感器具有传感信号　京：国防工业出版社，２００７．　多个传感器，故传感器的重量要尽量轻，　对波长绝对编码、抗电磁干扰等优点，因　【２］申铱国，张铁强．光电子学［Ｍ］．北京：　尺寸要尽量小，因此，灵巧的光纤光栅传　此具有广泛的应用前景。目前，对光纤光　兵器工业出版社，１９９４．　感器是最好的选择；光纤光栅传感器非常　栅传感器的研究方向主要有三个方面：一　［３】秦子雄，曾庆科等．大调谐范围的等强　适合用来监测轮船船体结构，提供可影响　是对高灵敏度、高分辨力传感器的研究；　度梁光纤光栅波长调节器［Ｊ］．光学学报，　材料性能的机械变化信息，监测复合材料　二是对光纤光栅反射信号和透射信号分　２０Ｏ１．１　２．　《合作经济与科技》２０１２年９月号下（总第４４９期）　固