光纤光栅传感器的应用

光纤光栅传感器的应用

光纤传感器种类很多，它能够测量许多物理量。相对于机电类传感器，光纤光栅传感器具有一些明显的优势，包括抗电磁干扰、耐高温、体积小、灵活方便等。

以光纤布拉格光栅为主的光纤光栅传感器，除了具有普通光纤传感器的优势之外，还有一些特别的优势，最主要的是传感信号为波长调制以及复用能力强。其好处在于:测量信号不受光纤弯曲损耗、连接损耗、光源起伏和探测器老化等因素的影响；避免了干涉型光纤传感器相位测量模糊不清等问题；在一根光纤上串接多个布拉格光栅，把光纤嵌入(或粘于)被测结构，可同时得到几个测量目标的信息，并可实现准分布式测量。这里分几个部分介绍光纤光栅传感器在大坝安全监测、航天及船舶、光纤通信产品、地球动力学及医药中的应用。

1、在大坝安全监测上的应用

传感器不仅是防洪、洪水预报中的应用设备，也是大坝以及水库安全监测的理想设备。目前，大坝的监测大多利用电阻式传感器，但电阻式传感器的抗电磁干扰能力及长期可靠性重复性方面较差，它们只能做短期的临时监测。光纤光栅传感器作为一种新型光纤传感器，对多个物理量敏感，可以用来测量多个物理量，包括应变、应力、温度、振动、压力等，在大坝安全监测领域应用非常广泛。同时传感器阵列可以实现分布式的传感网络，对物体进行多点测量，提取相关的信号，进行状态分析，达到示警以及故障诊断的目的。在大坝、水库等工程中可以进行实时安全、温度及应变监测。传感器的精度甚至可以达到几个微应变级，具有很好的可靠性，可实现动态测量。

2、在航天器及船舶中的应用

在航空航天领域，飞行安全是人们十分关注的一个方面。光纤光栅传感器具有体积小，重量轻，灵敏度高等优点，将光纤光栅埋入飞行器或者发射塔结构中，组成分布式智能传感网络，可以对飞行器及发射塔的内部机械性能及外部环境进行实时监测。

3、在光纤通信产品中的应用

光纤通信的一个重要应用是使各种全光纤器件，如光纤激光器、光纤调制器、光纤滤波器、光纤波复用和解复用器、光纤光栅色散补偿器件等的研制成为可能，同时将各种全光纤器件集成在一段光纤里，形成诸多集成型光纤通信系统也成为可能。将来光通信系统中如果没有光纤光栅就如同电子回路中没有电子器件一样。所以普遍认为，光纤光栅的研制成功是继掺铒光纤放大器之后在光纤领域中的又一次重大技术突破。

4、在地球动力学中的应用

在地震检测等地球动力学领域中，地表骤变等现象的原理及其危险性的估定和预测是非常复杂的，而火山区的应力和温度变化是目前为止能够揭示火山活动性及其关键活动范围演变的最有效手段。光纤光栅传感器在这一领域中的应用主要是在岩石变形、垂直震波的检测以及作为地形检波器和光学地震仪使用等方面。光纤光栅传感器能实现远距离和密集排列复用传感的宽带、高网络化传感器，符合地震检测等的要求，因此它在地球动力学领域中无疑具有较大的潜在用途。

另外，光纤光栅传感器切面震波图检测系统也已经实现并有专利授权。在这一领域的应用中，关键是在一根光纤上能够复用并可有效被解调的光纤光栅的数量，图1为结合利

用时域反射计(TDR)和波分复用(WDM)的方法实现复用和解调多个光栅传感器示意图，该图中的这一装置将主要用于地震场区的准分布式测量。

图1 复用和解调多个光纤光栅传感器示意图

5、在医学中的应用

医学中用的传感器多为电子传感器，它对许多内科手术是不适用的，尤其是在高微波(辐射)频率、超声波场或激光辐射的过高热治疗中，由于电子传感器中的金属导体很容易受电流、电压等电磁场的干扰而引起传感头或肿瘤周围的热效应，这样会导致错误读数。为测定高频辐射或微波场的安全性，需用超声波传感器检测一系列医疗中所用的超声诊断仪器的性能。近年来，使用高频电流、微波辐射和激光进行热疗以代替外科手术越来越受到医学界的关注。而且传感器的小尺寸在医学应用中是非常重要的，因为小的尺寸对人体组织的伤害较小，光纤光栅传感器是目前为止能够做到的最小的传感器。光纤光栅传感器能够通过最小限度的侵害方式测量人体组织内部的温度、压力、声波场的精确局部信息。

通过对光纤光栅的进一步了解，我深刻的体会到信息技术改变了我们的生活。光纤作为信息传输的主要载体在信息化的过程中发挥了重要的作用，各种类型的光纤型器件共同构建了现代信息高速公路，就像本文提到的光纤光栅，以其本身的传感信号为波长调制，

测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗不受光源功率波动和系统损耗影响等特点，形成了传感领域的一个新的分支。这同时也验证了结构决定性能。