光纖光柵傳感技術(shù)在工程中的應用

徐國權(quán)，熊代余

（1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽110819；2.北京礦冶研究總院，北京100070）

光纖光柵傳感技術(shù)在工程中的應用

徐國權(quán)1，2，熊代余2*

（1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽110819；2.北京礦冶研究總院，北京100070）

綜述了光纖光柵傳感器近年來在工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、石油產(chǎn)業(yè)、電力行業(yè)、巖土工程、航空航天、采礦、爆破、交通及醫(yī)學等各個領(lǐng)域的應用情況。文章認為，限制光纖光柵傳感器產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模應用的主要因素是缺乏統(tǒng)一的設(shè)計理論和制作方法，這使得不同廠家生產(chǎn)的傳感器規(guī)格存在差異。另外，由于復雜的生產(chǎn)技術(shù)和精細的生產(chǎn)過程使傳感器生產(chǎn)成本較高，而且能實際應用的光纖光柵傳感器的解調(diào)產(chǎn)品并不多，且價格很高。根據(jù)上述分析，文中對該項技術(shù)未來的發(fā)展方向提出了展望。

光纖光柵；光纖傳感器；工程應用

1 引 言

自20世紀70年代以來，光纖傳感技術(shù)在世界范圍內(nèi)引起了廣泛的關(guān)注，并得到了快速的發(fā)展，其中以光纖光柵傳感技術(shù)的發(fā)展最為迅速。光纖光柵可以分為短周期光纖光柵（FBG）和長周期光纖光柵（LPG）兩種。1978年加拿大渥太華通信研究中心K.O.Hill等人［1］首次在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn)光纖的光敏效應，并采用駐波寫入法制成了世界上第一塊光纖光柵;1996年AT&T貝爾實驗室的A.M.Vengsarkar等人［2-3］用紫外光通過振幅掩模板照射氫載硅鍺研制了長周期光纖光柵;1989年聯(lián)合技術(shù)研究中心的Morey［4］首次報道將光纖光柵用于傳感領(lǐng)域，從而使光纖光柵從單純光通信領(lǐng)域拓展到光纖傳感領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的機械、電子傳感器相比，光纖光柵傳感器具有以下優(yōu)點：（1）尺寸小、質(zhì)量輕;（2）傳輸損耗低、帶寬高;（3）免疫電磁干擾;（4）耐腐蝕;（5）使用壽命長;（6）可以進行分布式測量。光纖光柵傳感器除了具有光纖傳感器的全部特性以外，還有著其獨特的優(yōu)勢：（1）能絕對測量，信號不受光源波動的影響;（2）能直接寫入光纖，而不用改變光纖的直徑;（3）可以使用多路復用技術(shù)。布喇格光纖光柵（FBG）和長周期光纖光柵（LPG）在制作方法和制作理論上雖然有很多類似，但在傳感性能方面卻各具特色和優(yōu)勢。與FBG相比，LPG出現(xiàn)較晚且多處于研究理論和實驗研究階段，實用化程度不高。

隨著人們逐漸認識到光纖光柵傳感技術(shù)有著極大的潛力，越來越多的高等院校和科研機構(gòu)投入到光纖光柵傳感技術(shù)的研究和應用［5-7］中。1997年在美國召開的第12屆光纖傳感器會議（The 12th Optical Fiber Sensors Conference，OFS-12）［9］上發(fā)表與光纖光柵有關(guān)的論文接近25%，到2002年在美國波特蘭舉行的OFS-15上該類論文已經(jīng)達到44.2%［8］。光纖光柵傳感技術(shù)已經(jīng)成為光纖傳感領(lǐng)域最熱門的主題，國際上光纖光柵傳感技術(shù)的研究重點就是大力推進光纖光柵傳感器的實用化。

經(jīng)過20年的發(fā)展，一部分光纖光柵傳感技術(shù)成果已從實驗室推出，步入商用階段，如溫度傳感器、位移傳感器、應變傳感器、應力傳感器、加速度傳感器等［10-11］，這些傳感器已成功用于大型結(jié)構(gòu)工程、電力工程、巖土工程、交通工程、采礦工程、爆破工程、石油化工、航空航天、生物醫(yī)學、船舶、石油勘探以及軍事武器裝備等領(lǐng)域［12-15］。隨著應用成果的日益增多，光纖光柵已成為目前最具發(fā)展前途、最具代表性的光纖無源器件之一。本文主要介紹近年來光纖光柵傳感技術(shù)在國內(nèi)外工程中的應用情況。

2 結(jié)構(gòu)工程中的應用

大型工程結(jié)構(gòu)服役期間的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（Structural Health Monitoring，SHM）對評估結(jié)構(gòu)安全性和完整性有著重大的意義。通常意義上結(jié)構(gòu)安全檢測主要是依靠制定維修計劃、人工檢查和使用一些傳統(tǒng)的傳感器來進行監(jiān)測，這使得SHM的成本大大提高。而光纖光柵傳感器的多功能特性相比其它傳感器有著無可比擬的優(yōu)勢，并可以對結(jié)構(gòu)進行長期的無損監(jiān)測、診斷和控制。光纖光柵傳感器既可以粘貼在結(jié)構(gòu)表面進行監(jiān)測，也可以從基建期間就嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)部對建設(shè)期間的結(jié)構(gòu)完整性進行監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測信息對結(jié)構(gòu)進行預警，對防止惡性和災難事故的發(fā)生具有重要意義。因此，在過去十幾年中光纖光柵傳感技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于高層建筑物、橋梁、隧道和大壩等結(jié)構(gòu)檢測。

目前，在橋梁的安全監(jiān)測領(lǐng)域中光纖光柵傳感器的應用最為廣泛。圖1為橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測示意圖。2001年5月至10月，歐進萍等人［16］分別將15個光纖光柵傳感器埋入正在施工的黑龍江呼蘭河大橋預應力箱形梁上，用來監(jiān)測施工階段箱形梁的受力與安全情況以及大橋服役階段監(jiān)測通車流量和橋梁的疲勞損傷狀態(tài)，在傳感器的埋設(shè)和保護方面積累了寶貴的經(jīng)驗，為光纖光柵傳感器的進一步應用打下堅實的基礎(chǔ)。

香港青馬大橋長1 377m，是世界上最長的懸索橋，大橋采用雙層設(shè)計，分別用于公路和鐵路交通。該橋建成于1998年，其使用的健康監(jiān)測系統(tǒng)是Wind and Structural Health Monitoring System（WASHMS）。香港理工大學T.H.T.Chan［17］將40個光纖光柵傳感器分成3個傳感器陣列安裝于吊橋纜線、搖軸支座和桁梁，監(jiān)測高峰期鐵路和公路荷載作用下的應變，其監(jiān)測結(jié)果與原有WASHMS的監(jiān)測結(jié)果有很好的相似性。英國T. Venugopalan［18］基于長周期光纖光柵設(shè)計了一種濕度傳感器，并計劃把這種傳感器埋入到混凝土材料中用來測量水分滲入情況。與FBG濕度傳感器相比，LPG濕度傳感器具有更高的測量靈敏度、更加自由的涂層厚度和均一性。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測Fig.1 Health monitoring of bridge structure

北京地鐵10號線一期工程項目是北京奧運建設(shè)項目之一，在三環(huán)和四環(huán)之間形成一條貫通城市東西、南北的公共交通骨干線。地鐵10號線國貿(mào)站位于國貿(mào)橋下，地處北京CBD核心地帶，是地鐵1號線與10號線的換乘站，在北京地鐵系統(tǒng)中具有重要的地位。為了保障結(jié)構(gòu)的安全，王元豐等人［19］在地鐵國貿(mào)站建立了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，共埋入了64個光纖光柵傳感器，對結(jié)構(gòu)的應變、溫度、裂紋和徐變等參數(shù)進行了監(jiān)測。

3 電力工程中的應用

電力工業(yè)中的設(shè)備大都處于強電磁場環(huán)境，一般傳感器無法使用。由于測點經(jīng)常位于高壓條件下，這就要求傳感器需要具有很好的電絕緣性能，并能免疫電磁干擾，而光纖光柵傳感器是在這種環(huán)境下工作的理想器件。圖2為光纖光柵溫度傳感器監(jiān)測高壓輸電線路示意圖。

印度中央玻璃陶瓷研究所（CGCRI）［20］利用光纖光柵傳感技術(shù)開發(fā)了一套完整的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，并對Powergrid公司Subhaashgram變電站的400 kV輸電線路進行了現(xiàn)場實驗。該系統(tǒng)能很好地監(jiān)測電線的耐熱性和抗機械荷載性能，并可以根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整輸電線路傳輸?shù)碾娏?，為提高輸電線路的可靠性和使用壽命提供保障。

圖2 光纖光柵溫度傳感器監(jiān)測高壓輸電線路Fig.2 Monitoring of high voltage transmission lines by fiber Bragg grating temperature sensor

山東省科學院激光研究所［21-22］研制的基于光纖光柵傳感器的溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)和監(jiān)測儀已在許昌、張家口、延安等供電公司和發(fā)電廠推廣和應用。這些系統(tǒng)特別適用于對電力設(shè)備的接頭和易發(fā)生故障部位進行溫度實時監(jiān)測，可測溫度為在-20～+130℃，精度為±0.5℃，分辨率為0.1℃，能極大地保障電力系統(tǒng)的安全運營。

4 巖土工程中的應用

隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，巖土工程的規(guī)模越來越大，其安全問題亦引起人們的密切關(guān)注。巖土工程的安全監(jiān)測、風險評估、及時正確的預測預報，已經(jīng)成為巖土工程領(lǐng)域的重要研究課題。巖土工程的施工環(huán)境比較復雜，服役的年限比較長，許多工程距離城市較遠，對監(jiān)測工作帶來了極大的困難。而采用光纖光柵傳感技術(shù)則可以實現(xiàn)對工程項目的遠距離實時在線監(jiān)測。圖3為基于光纖光柵的鉆孔變形監(jiān)測系統(tǒng)示意圖。

臺灣交通大學Ho Yen-Te等人［23］開發(fā)了一種光纖光柵地面移動監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)共安裝了60個光纖光柵傳感器，對臺灣Yuin-Lin的一個工業(yè)生產(chǎn)基地的位移分布進行了監(jiān)測。香港理工大學裴富華等人［24］采用自行設(shè)計的光纖光柵原位測斜儀，對攀田高速公路路塹邊坡進行了監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果建立了最優(yōu)化數(shù)學模型從而獲取了潛在滑裂面的具體位置，并根據(jù)經(jīng)典Bishop條分法計算得到了該潛在滑裂面對應的邊坡安全系數(shù)，以評估該邊坡的穩(wěn)定性。朱鴻鵠等人［25］采用光纖光柵傳感技術(shù)開發(fā)了混凝土應力計、溫度計、水平測斜儀、沉降儀等巖土監(jiān)測儀器，并對位于香港九龍?zhí)恋闹袊駥W院施工期間的安全進行了健康監(jiān)測，在筏式基礎(chǔ)內(nèi)沿東西向安裝了兩排光纖光柵混凝土應變計，每排串聯(lián)6組應變計（共24個光纖光柵應變計），用來檢測混凝土在荷載作用下的拉應力和應變。在筏式基礎(chǔ)下埋設(shè)了2組光纖光柵水平測斜儀，每組由4 m長的3個光纖光柵水平測斜儀串聯(lián)而成。測斜儀上共布置了36個光纖光柵傳感器，以監(jiān)測地基沉降分布。

圖3 基于光纖光柵的鉆孔變形監(jiān)測系統(tǒng)Fig.3 Drilling deformation monitoring system based on fiber Bragg grating

在西氣東輸工程中，許多管道不可避免地要穿過地質(zhì)災害嚴重的地區(qū)。由于選線不充分、管道建設(shè)會誘發(fā)滑坡或地震誘發(fā)滑坡，使管道的安全運營受到嚴重的威脅。陳朋超等人［26］基于光纖光柵傳感技術(shù)，建立了一套可同時監(jiān)測管體應變、管土界面壓力、滑坡體表面位移以及深部位移的埋地管道滑坡遠程監(jiān)測預警系統(tǒng)。在四川某特大滑坡區(qū)建立了監(jiān)測預警示范站，并成功監(jiān)測到汶川地震對滑坡及管道的影響。

林傳年［27］對位于湖北境內(nèi)白氏坪至恩施高速公路上的龍?zhí)端淼乐ёo錨桿進行了監(jiān)測。他將4片光纖光柵應變片等間距分布在錨桿上，用來監(jiān)測錨桿軸力隨測點埋深和開挖過程的變化情況。姜德生［28］在世界最高的面板堆石壩工程水布埡水力樞紐工程中，對支護錨桿的狀態(tài)進行了監(jiān)測。

在巖土工程監(jiān)測中，傳統(tǒng)的傳感器有著很大的缺陷，而光纖光柵傳感器卻有著明顯的優(yōu)越性，可以相信光纖光柵傳感器可以完全取代傳統(tǒng)的傳感器對巖土工程進行測量和監(jiān)測。

5 交通工程中的應用

過去幾十年中，鐵路運輸已經(jīng)成為最有效的運輸手段。我國鐵路每年完成的旅客周轉(zhuǎn)量在全社會旅客周轉(zhuǎn)量的1/3以上，完成貨物周轉(zhuǎn)量占全社會貨物周轉(zhuǎn)量的55%，并且隨著科技的進步，列車的速度也越來越快，如何確保列車運行過程中的安全，成為重要的課題。采用光纖光柵傳感系統(tǒng)對列車和軌道進行監(jiān)測，能及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，從而保障列車的安全。圖4為智能光纖光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)在鐵路上的應用示意圖。

圖4 智能光纖光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)在鐵路上的應用Fig.4 Application of intelligent fiber Bragg grating sensor network in the railway

西班牙阿爾卡拉大學M.L.Filograno［29］在馬德里—巴塞羅那高速鐵路距離馬德里70 km處的一段軌道上安裝了20個光纖光柵傳感器，用來監(jiān)測列車的運行速度和加速度，識別經(jīng)過列車的類型并作為輪軸計數(shù)器，對時速為200～300 km/h列車的動態(tài)荷載和車輪進行了監(jiān)測。該系統(tǒng)可實時在線監(jiān)測列車的運行情況，并對出現(xiàn)的問題進行及時的預警。該監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)過一年的運行，光纖光柵傳感器沒有損耗，表明該系統(tǒng)可以長期對列車及軌道安全進行監(jiān)測。在磁懸浮列車結(jié)構(gòu)監(jiān)測方面，電磁干擾是一個重要的問題。Donghoon Kang and Wonseok Chung［30］設(shè)計了基于光纖光柵傳感器波分復用技術(shù)的磁懸浮軌道綜合監(jiān)測系統(tǒng)，對韓國磁懸浮列車軌道的應變、彎曲和垂直撓度進行了現(xiàn)場監(jiān)測。

鄭州到西安的客運專線主要修建在濕陷性黃土地區(qū)，針對在這種地區(qū)修建高鐵的沉降控制和監(jiān)測，郝晉豫、朱少捷［31］建立了光纖光柵沉降監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對鄭西客運專線的路基的長期遠程監(jiān)測。陳鳳晨［32］將光纖光柵傳感器埋入高速公路的瀝青路面中，通過改變車輛的加載重量和運行速度，監(jiān)測相應的應變變化趨勢和規(guī)律，為路面的維護提供了新的途徑。

汽車在有水膜覆蓋的路面上行駛時，輪胎與路面之間將產(chǎn)生一個動態(tài)、瞬時的動水壓力，為了研究動水壓力對路面和行車造成的危害，高俊啟［33］設(shè)計了光纖光柵壓力傳感器來測量動水壓力，傳感器的壓力靈敏度是裸光柵的2 000倍，能非常精確地測量出壓力的大小。Hongyue Liu［34］設(shè)計了小型長周期光纖光柵壓力傳感器來監(jiān)測瀝青路面，監(jiān)測結(jié)果顯示傳感器的響應具有良好的規(guī)律性。

6 采礦工程中的應用

近年來，我國關(guān)于礦山安全事故的報道越來越多，礦山安全成為備受矚目的焦點。因此，人們更加重視礦山測試技術(shù)，并在采礦工程中開展了地應力測量、巖層位移監(jiān)測、爆破振動監(jiān)測、微震監(jiān)測等多種監(jiān)測手段，為礦山的安全生產(chǎn)提供了必要的支持。但由于傳統(tǒng)測試技術(shù)的局限性，采礦工程測試中也存在一些難題：復雜的環(huán)境因素，如潮濕、腐蝕性環(huán)境、易燃易爆巷道，電鏟的電磁干擾、露天礦山的雷擊等，給采礦工程現(xiàn)場的長期穩(wěn)定監(jiān)測帶來一定的困難。而光纖光柵傳感器則不受這方面的影響，因此在采礦工程領(lǐng)域有著廣泛的應用前景。

在The European BRITE/EURAM STABILOS［35］項目中，為了建立準確、穩(wěn)定的采礦作業(yè)控制系統(tǒng)，研究人員設(shè)計了一種基于寬帶摻鉺光纖光源和可調(diào)F-P濾波器的光纖光柵傳感系統(tǒng)，用于監(jiān)測井下巷道。德國GFZ Potsdam公司開發(fā)了一種測量圍巖變形的光纖光柵傳感器FBX-測量錨桿［36］，這種新型傳感器是在一根玻璃纖維增強聚合物巖石測量錨桿桿體中埋入光纖光柵，然后將測量錨桿埋設(shè)在圍巖體中，用于監(jiān)測隧道硐室或者深埋地基等工程中的巖體變形和結(jié)構(gòu)變化。

愛爾蘭Monitor Optics Systems（MOS）公司［37］為了監(jiān)測采礦引起的路面沉降，在澳大利亞一條公路的瀝青混凝土路面內(nèi)埋入若干傳感電纜。2008年安裝了由120個光纖光柵組成的18條傳感電纜，2009年安裝了由460個光纖光柵組成的70條傳感電纜，2010年安裝了由240光纖光柵組成的88條傳感電纜，監(jiān)測總長度約為2 500 m。在過去3年中該系統(tǒng)成功地對路面沉降進行了連續(xù)的監(jiān)測，并且這種傳感電纜已經(jīng)用于路堤的穩(wěn)定性監(jiān)測。圖5為安裝光纖光柵應變傳感光纜示意圖。

圖5 安裝光纖光柵應變傳感光纜Fig.5 Strain sensing cable installation of fiber Bragg grating

蘇小杰［38］采用光纖光柵傳感器對某金礦巷道進行了靜態(tài)試驗研究。他將光纖光柵粘貼在錨桿上，并根據(jù)錨桿的變形來反映巖石發(fā)生的應變。實驗在36 min內(nèi)采集了3個傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中包含了爆破過程中20 s內(nèi)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析巖石裂縫的產(chǎn)生。為研究突水前兆信息演化規(guī)律，馮現(xiàn)大［39］建立了一個含有大型隱伏水體的三維物理模型，為準確捕捉相應的位移、應變和滲壓等信息，模型中共埋設(shè)了10個光纖光柵溫度傳感器、10個光纖應變傳感器、7個光纖滲壓傳感器和4個光纖位移傳感器，成功監(jiān)測到了突水過程中各個參數(shù)的變化情況。為了準確預測深厚松散層深部層位因失水而產(chǎn)生的壓縮變形，柴敬［40］對濟三礦風井處第四系松散地層104～180 m段埋設(shè)了18個光纖光柵傳感器，用來監(jiān)測松散層各層位的應變壓縮量。

煤礦經(jīng)常由于瓦斯爆炸及煤炭自燃發(fā)生火災事故，魏世明［41］采用特殊合金材料封裝制作了光纖光柵火災探測器，并與光纖光柵解調(diào)儀、數(shù)據(jù)傳輸和控制總線、數(shù)據(jù)控制中心等組成煤礦用光纖光柵火災探測系統(tǒng)。通過監(jiān)測井下溫度變化率來預警是否發(fā)生火災，并且該系統(tǒng)可以進行實時在線監(jiān)測，這大大縮短了火災報警時間。溫度變化能夠直接反映煤的自熱程度，于之江［42］采用光纖光柵溫度傳感器監(jiān)測煤溫隨時間的變化規(guī)律，對采空區(qū)的自然發(fā)火進行預測。西南石油大學Tang Dong-Lin等人［43］研制了基于馬赫-曾德微型光纖干涉儀加速度計的集成光學芯片，并計劃將其用于地震波探測。

7 爆破工程中的應用

工程爆破在經(jīng)濟建設(shè)中用途廣泛，尤其是在礦山開采中，爆破是破碎巖石的主要手段。在公路、鐵路、水力工程及城市建筑物拆除中，也經(jīng)常使用爆破方法。爆破作業(yè)時炸藥爆炸釋放出巨大的能量，并以地震波的形式向四周傳播，對附近建筑物造成損傷。

柏林南部的一家采石場在爆破作業(yè)時，產(chǎn)生爆破振動效應引起了附近居民的注意，他們認為爆破作業(yè)對他們所居住的建筑造成了損傷。為了證明爆破作業(yè)對附近的建筑物的影響，C.derbenstedt［44］將光纖光柵傳感器粘貼在距離爆區(qū)800 m的一個幼兒園天花板上的裂縫處，用來監(jiān)測爆破作用下的裂縫變化情況。經(jīng)過長達8個月的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)爆破作用對裂縫的影響很小，基本可以忽略不計。

2000年，荷蘭應用科學研究組織（TNO）Prins Maurits Laboratoy［45］采用光纖光柵傳感器對爆炸和沖擊波進行了測量。2007年TNO［46-47］又使用光纖光柵傳感器對爆轟壓力進行了動態(tài)測量。

2006年美國能源部Lawrence Livermore國家實驗室［48］報道了嵌入式光纖探針直接測量高能炸藥PBX-9502和LX-17的爆破速度。在此基礎(chǔ)上2007年又與Columbia Gorge Research［49］合作采用直徑為125μm光纖光柵傳感器作為新型的探測器，對硝基甲烷和PBX-9502的爆轟速度進行了連續(xù)記錄。2009年加拿大Communication研究中心［50］也加入到該研究中，并取得了很大的進展。

8 石油化工中的應用

由于石油開采的特殊性，對井下的溫度、壓力動態(tài)監(jiān)測是十分必要的。井下安裝的傳感器需要長時間對井下情況進行實時監(jiān)測，為油氣田開發(fā)提供實時的地層信息，而傳統(tǒng)的傳感器無法適應井下的高溫環(huán)境。光纖光柵傳感器具有耐腐蝕、使用壽命長等特點，非常適合在石油化工行業(yè)的應用。圖6為光纖光柵傳感器對輸油管道監(jiān)測示意圖。

圖6 光纖光柵傳感器對輸油管道進行監(jiān)測Fig.6 Oil pipeline monitoring by fiber Bragg grating sensors

陸寧［51］采用光纖光柵傳感技術(shù)、F-P腔傳感技術(shù)、光纖分布測溫技術(shù)對遼河油田的某井下進行了3點溫度、壓力的現(xiàn)場監(jiān)測。袁偉［52］設(shè)計了一種新型光纖光柵油井溫度壓力傳感器，并將該傳感器應用于勝利油田，實現(xiàn)了井下溫度壓力同時監(jiān)測。

隨著能源需求的增大，從海洋中提取油氣資源的力度也不斷增強。在油氣開采和運輸過程中，柔性管道得到了廣泛的應用。巴西石油研究中心［53］采用光纖光柵應變傳感器對柔性管道進行了監(jiān)測。Allsop等人［54］采用長周期光纖光柵監(jiān)測煉油過程中的芳香族化合物。

9 航空航天中的應用

航空航天是傳感器應用的熱門領(lǐng)域，現(xiàn)代航空航天正朝著高性能、長壽命、舒適性以及降低成本的方向發(fā)展。復合材料由于具有比強度高、比剛度高、耐腐蝕、重量輕以及可設(shè)計性強等優(yōu)良性能，在國內(nèi)外航空工業(yè)中得到廣泛的應用，而光纖光柵傳感器可以嵌入到被測構(gòu)件機體和材料中形成智能結(jié)構(gòu)，在構(gòu)件或材料工作的同時對其安全運行、故障等進行實時監(jiān)控，極大地降低了航空航天產(chǎn)業(yè)的維護成本。圖7為光纖光柵傳感技術(shù)在飛機上的應用示意圖。

圖7 光纖光柵傳感技術(shù)在飛機上的應用Fig.7 Application of fiber Bragg grating sensing technology in the plane

Nobuo Takeda和Hitachi Cable，Ltd［55］聯(lián)合研制了一種小直徑光纖光柵傳感器。這種傳感器可以嵌入到厚度為125μm的碳纖維復合材料（CFRP）中，用來檢測航空復合材料結(jié)構(gòu)的微觀損傷。為實現(xiàn)可變體機翼翼表溫度的高精度實時檢測，李坌等人［56］設(shè)計了一種基于長周期光纖光柵的溫度測試系統(tǒng)。系統(tǒng)采用長周期光纖光柵作為溫度傳感元件，高雙折射光纖環(huán)鏡作為邊緣濾波器件。測試結(jié)果顯示：溫度靈敏度為0.053 nm/℃，溫度分辨率達到0.05℃。

錢德勒監(jiān)測有限公司［57］設(shè)計和開發(fā)了一種基于光纖光柵傳感技術(shù)的在線結(jié)構(gòu)監(jiān)測和火警探測系統(tǒng)。他們將17個光纖光柵傳感器粘貼在康普艾-12小型飛機的機翼、機身、機艙等關(guān)鍵部位，用來監(jiān)測應變、溫度、高溫的變化情況。

最近的研究成果顯示：在航空航天復合材料結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，基于光纖光柵傳感技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是可行的。研究人員提出了ACS-SIDE［58］（Structural Integrity Diagnosis and Evaluation of Advanced Composite Structures）計劃，該計劃將會推動光纖光柵傳感技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的進一步應用。

10 生物醫(yī)學中的應用

由于光纖光柵傳感器具有尺寸小、生物相容性好、無毒、化學惰性和電磁免疫等特性，并且本質(zhì)安全，可以植入患者體內(nèi)對一些重要參數(shù)進行連續(xù)監(jiān)測，故對生物醫(yī)學的發(fā)展有著重要的意義。

新加坡的一個研究團隊［59］提出了基于光纖光柵傳感技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)，將標定好的傳感器安裝于病床的褥子下面，并與病人身體需要監(jiān)測的關(guān)鍵部位相匹配，通過連續(xù)監(jiān)測病人在睡覺和坐著情況下的應力分布情況來預防褥瘡。根據(jù)監(jiān)測結(jié)構(gòu)提出警報，護理人員可及時幫助病人移動受壓部位以避免病人身體產(chǎn)生褥瘡。

Fresvig［60］等人的實驗驗證了使用光纖光柵傳感器代替電阻應變片監(jiān)測外荷載條件下人類尸體大腿骨樣本的變形情況。實驗中，采用4個光纖光柵傳感器和4個電阻應變片同時監(jiān)測機械試驗機對試件施加變動荷載下的變形情況，結(jié)果顯示：測量值具有良好的線性度和可變性，并且光纖光柵傳感器和電阻應變片的監(jiān)測數(shù)據(jù)互相吻合。V.Mishra［61］課題組采用光纖光柵傳感技術(shù)對山羊脛骨脫鈣作用下的應變響應效果進行了研究。從同一只山羊中取兩個脛骨試樣，光纖光柵傳感器直接粘貼在脛骨表面的中點位置。對一個試樣脫鈣，同時將另一個試樣放入鹽水溶液中，同步監(jiān)測脫鈣的試樣和未經(jīng)過處理的試樣鈣損失和退化隨時間的變化規(guī)律。

在歐洲生物力學學會第16屆代表大會（The 16th Congress of the European Society of Biomechanics）上，捷克科技大學Miloslav Vilimek［62］報道了使用光纖光柵傳感器監(jiān)測在MTS伺服機拉伸作用下豬肌腱生物力學性能。2006年，歐盟成立了一個來自德國、法國、丹麥、比利時、瑞典的11個專家團隊共同合作研究的項目Optical Fiber Sensors Embedded into technical Textile for Health-care（OFSETH）［63］，該項目預計耗資350萬歐元。主要研究將光纖光柵傳感器植入到醫(yī)療紡織品當中，實現(xiàn)對人體心臟、呼吸頻率和脈搏血氧等重要參數(shù)的測定。圖8為光纖光柵傳感器應用在OFSETH項目中對病人監(jiān)護示意圖。T.M.Libish等人［64］采用長周期光纖光柵傳感器來檢測椰子油中的石蠟油是否參假。Akash Deep［65］使用長周期光纖光柵檢測葡萄糖氧化酶的特性和固定化靈敏度。Saurabh Mani Tripathi［66］報道了超敏感長周期光纖光柵檢測大腸桿菌（E.coli）噬菌體。

圖8 光纖光柵傳感器應用在OFSETH項目中對病人監(jiān)護Fig.8 Fiber Bragg grating sensor used in OFSETH project for patientmonitoring

11 結(jié)束語

本文對光纖光柵傳技術(shù)近年的一些應用情況做了簡單的回顧。雖然光纖光柵傳感器每年全球市場規(guī)模約為1.5×107～3.5×107美元，并以每年15%～25%的速度增長，但是大體上光纖光柵傳感技術(shù)的應用仍處于早期的發(fā)展階段，主要以科學研究和大型工程項目為主。由于整個行業(yè)沒有統(tǒng)一的設(shè)計理論和制作標準，使得各個公司的光纖光柵傳感器在設(shè)計和規(guī)格上存在較大的差異，從而導致光纖光柵傳感器性能不同。此外復雜的生產(chǎn)技術(shù)和精細的生產(chǎn)過程使得光纖光柵傳感器只能小規(guī)模生產(chǎn)，無法進行大規(guī)模標準化生產(chǎn)，大大提高了光纖光柵傳感器的成本。目前，光纖光柵的解調(diào)方法有許多種，但是能夠?qū)嶋H應用的解調(diào)產(chǎn)品很少，而且價格都在幾萬美元左右。這些因素都制約了光纖光柵傳感技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模應用。

我國對光纖光柵傳感技術(shù)的研究相對較晚，研究和應用方面與國外仍存在較大差距。但是隨著國家的重視，各大高校和科研院所都加大了對光纖光柵傳感技術(shù)的研究工作，取得了很大的進展。但是這些研究大多處于實驗室研究階段，只有一少部分達到了商用的要求。這就使得我國光纖光柵傳感設(shè)備大多都依賴進口，由于這些設(shè)備的價格昂貴，光纖光柵傳感技術(shù)在我國的應用受到了很大的限制。相信隨著國產(chǎn)技術(shù)的進步，價格問題將不會成為光纖光柵傳感技術(shù)在國內(nèi)應用的障礙。

可以預見，隨著光纖光柵傳感技術(shù)研究的深入，將會使其在應用方面有新的突破。未來光纖光柵傳感器技術(shù)的發(fā)展方向可能在以下幾個方面：（1）開發(fā)新的應用領(lǐng)域;（2）建立光纖光柵傳感技術(shù)的標準;（3）能同時測量兩個或兩個以上參數(shù)傳感器的研究;（4）傳感信號解調(diào)的研究，開發(fā)低成本、便攜式光纖光柵解調(diào)系統(tǒng);（5）對采集的數(shù)據(jù)進行處理分析軟件的開發(fā);（6）根據(jù)實際應用的需要，對傳感器的埋設(shè)工藝、封裝技術(shù)、溫度補償技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究;（7）針對各個應用領(lǐng)域的需求不同，開發(fā)合適監(jiān)測系統(tǒng);（8）應用過程中的配套服務，如傳感器的安裝、網(wǎng)絡(luò)的布置、數(shù)據(jù)的采集、軟件的開發(fā)、人員的培訓等。

隨著科技的不斷進步，可以相信光纖光柵傳感技術(shù)在世界范圍內(nèi)有著極為廣闊的應用前景。特別是伴隨我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，一批重大項目陸續(xù)啟動，光纖光柵傳感技術(shù)為這些項目的長期穩(wěn)定、實時在線的安全監(jiān)測提供了有效的途徑。這將極大地推動我光纖光柵傳感器的產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模推廣應用。

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［66］TRIPATHIA SM，BOCKW J，MIKULIC P，et al..Long period grating based biosensor for the detection of Escherichia colibacteria［J］.Biosensors and Bioelectronics，2012，35：308-312.

Applications of fiber Bragg grating sensing technology in engineering

XU Guo-quan1，2，XIONG Dai-yu2*
（1.College of Resources and Civil Engineering，Northeaster University，Shenyang 110819，China; 2.Beijing General Research Institute of Mining&Metallurgy，Beijing 100070，China）
*Corresponding author，E-mail：dyxiong38@yahoo.com.cn

This article introduces a systematic review of recent progress in applications of Fiber Bragg Grating（FBG）sensors to Structural Health Monitoring（SHM），oil industry，electrical power industry，geotechnical engineering，aerospace，mine，blasting，traffic，medicine，etc.It points out that the lacks of unified theories and standard technolgies lead to different product specifications for the Bragg grating sensors from different manufacturers，which limits the industrialization and large scale application of the sensing technology.Furthermore，because of their complex and finemanufacturing technologies，the Bragg grating sensors have a higher production cost.Most importantly，the demodulation products are far from enough althoughmany demodulation methods have already been published.On the analysis above，the paper presents its future work.

fiber Bragg grating;optical fiber sensor;engineering application

TN253；TP212.9

A

10.3788/CO.20130603.0306

徐國權(quán)（1983—），男，遼寧鞍山人，博士研究生，2007年于遼寧工程技術(shù)大學獲得學士學位，2010年于遼寧科技大學獲得碩士學位，主要從事光纖光柵傳感技術(shù)在爆破工程中的應用研究。E-mail：ogogo831228@yahoo.com.cn

熊代余（1964—），男，重慶開縣人，博士，研究員，博士生導師，1984年于東北大學獲得學士學位，1987年于東北大學獲得碩士學位，2003于北京科技大學獲得博士學位，主要從事炸藥與爆破（炸）技術(shù)、智能化爆破設(shè)計等方面的研究。E-mail：dyxiong38@yahoo.com.cn

1674-2915（2013）03-0306-12

2013-02-15；

2013-04-13

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目（No.2007AA06Z131）;國家自然科學基金資助項目（No. 51104018）;北京礦冶研究總院科研基金資助項目（No.02-811）