重大工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測與診斷越來越受到社會各界的廣泛重視，對災(zāi)害的提前預(yù)警或在災(zāi)害發(fā)生后評估結(jié)構(gòu)的損傷程度及其剩余壽命已等成為當(dāng)前各國學(xué)者們研究的熱點[1]。同時，智能結(jié)構(gòu)控制也成為防災(zāi)減災(zāi)的一個新興學(xué)科，把人復(fù)雜的感知、信息處理和響應(yīng)的機能外推映射到工程結(jié)構(gòu)中去，從而使結(jié)構(gòu)能夠?qū)?nèi)部狀態(tài)的變化和外部環(huán)境的刺激做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，使其能夠象人一樣具有進行自我感知、自我診斷和自我調(diào)節(jié)并適應(yīng)環(huán)境的功能，是未來工程結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向[2]。
無論是結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測還是智能結(jié)構(gòu)控制，對結(jié)構(gòu)當(dāng)前狀態(tài)的實時測量都是其中必不可少的關(guān)鍵一環(huán)，光纖傳感器由于其突出的優(yōu)點而成為智能系統(tǒng)的首選傳感器。光纖傳感器最早的應(yīng)用是1979年由美國航空航天局組織將光纖傳感器嘗試性地埋入復(fù)合材料內(nèi)部，監(jiān)測其應(yīng)變和溫度，之后光纖傳感器在飛行器領(lǐng)域和復(fù)合材料中取得了越來越多的應(yīng)用，并逐漸向其他領(lǐng)域擴展，呈現(xiàn)了蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。但是，由于光纖傳感系統(tǒng)的價格昂貴和它的研究歷史較短等原因，光纖傳感器在土木工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用還不多見。然而，由于它固有的優(yōu)點，勢必將在很多場合取代傳統(tǒng)傳感器[3]。
國際上將光纖傳感器用于大型工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測時間不長，目前正處于從萌芽到發(fā)展的過渡期。1989年，Mendez等人[4]首先提出了把光纖傳感器用于混凝土結(jié)構(gòu)的檢測。之后，日本、英國、美國、德國等許多國家的研究人員先后對光纖傳感系統(tǒng)在土木工程中的應(yīng)用進行了研究。日本、美國和瑞士的光纖傳感器在土木工程中的應(yīng)用領(lǐng)域相對較廣泛，已經(jīng)從混凝土的澆筑過程擴展到樁柱、地基、橋梁、大壩、隧道、大樓、地震和山體滑坡等復(fù)雜系統(tǒng)的測量或監(jiān)測。
Idriss等聯(lián)合美國聯(lián)邦公路局在新墨西哥州的Rio Puerco橋上安裝了40個SOFO位移光纖傳感器和24個溫度傳感器（如圖1.1和圖1.2所示），光纖傳感器在澆筑前預(yù)埋入結(jié)構(gòu)中，用于監(jiān)測預(yù)制梁的預(yù)應(yīng)力損失。結(jié)果表明，澆筑溫度對早期混凝土的預(yù)應(yīng)力損失影響非常大，澆筑溫度越低，其預(yù)應(yīng)力損失越嚴(yán)重[5][6]。Kronenberg和Glisic等在瑞士和法國邊界一個發(fā)電站水庫的大壩(Emosson Dam)上安裝了光纖傳感器（如圖1.3所示）。由于一些原有的傳感器操作不方便，對溫度、濕度和電磁場等敏感，安裝困難，所以用光纖傳感器取代傳統(tǒng)的傳感器來測量壩體的裂紋和基礎(chǔ)的位移。安裝了兩根超長位移計，一根長30米，另一根60米。測試結(jié)果表明光纖傳感器與原來的桿式伸長計結(jié)果非常吻合，測量結(jié)果更精確，更靈敏。唯一的缺點是需要約60天左右的傳感器校正時間，用于調(diào)整光纖傳感器涂覆層在運輸過程中的變形[7][8]。Inaudi等在一個現(xiàn)存的隧道旁30米距離處修建的另一個隧道壁上安裝了8個距離不等的光纖伸長計，安裝位置為從已存的隧道通向新隧道的小孔洞中（如圖1.4所示），用于監(jiān)測修建隧道時土石的受壓情況。測量結(jié)果表明，距離隧道鉆孔機（即新隧道位置）較近的光纖伸長計有較大的應(yīng)變，伸長計的變形量與距新隧道垂直距離的遠(yuǎn)近呈指數(shù)下降趨勢[9]。Inaudi及他們的小組到2001年為止在約9年時間內(nèi)共在橋梁，水壩，隧道，發(fā)電站等70多個不同場合成功安裝了約1500個光纖傳感器，用于檢測結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、振動、損傷和裂縫等或者進行大型結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測，其中95-100%都達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計功能[10][11]。Pietro等[12]詳細(xì)探討了光纖光柵（Fiber Bragg grating sensor）傳感器的原理、檢測方法、應(yīng)變與溫度信號分離的各種解決辦法，并指出光纖地震檢波器，光纖地震儀等可以用于測量巖石變形，隧道監(jiān)測和地震測量。Udd等[13]在一座橋上安裝了光纖光柵傳感器，測試結(jié)果表明，該傳感器不僅可以監(jiān)測車輛的行駛速度，而且可以稱量運動中車輛的重量，對交通流量進行分類，其靈敏度甚至可以檢測到橋上的跑步著或者成人的行走。
光纖傳感器是一個新興蓬勃發(fā)展起來的行業(yè)，許多公司都在致力于研制并開發(fā)新類型、功能或更加廉價的光纖傳感器產(chǎn)品，幾乎每天都有新型光纖傳感器在申報或者獲得專利。美國已有專利利用光纖傳感器測量地下鉆孔時孔表面的垂直地震響應(yīng)，利用測量動應(yīng)變來測量一點處的三向加速度等。歐洲有公司采用光纖傳感器利用基站與測量站之間的距離變化來測量20公里以內(nèi)的山體滑坡或者地面運動，此種光纖傳感器在全球定位系統(tǒng)等中也將起到積極的作用。目前各種新型的光纖傳感器層出不窮，從結(jié)構(gòu)的靜應(yīng)力[14]、振動的測量[15]到結(jié)構(gòu)應(yīng)變的健康監(jiān)測等[16][17]。
1998年，歐盟幾個發(fā)達(dá)國家聯(lián)合成立了一個“混凝土結(jié)構(gòu)性能評估集成監(jiān)測系統(tǒng)”（Smart Project）項目，有8家公司等聯(lián)合組成。根據(jù)該項目的研究結(jié)果[18][19]，光纖健康監(jiān)測可使系統(tǒng)的運行費用降低10-20%，而且其模型對未來新建項目具有啟發(fā)意義，可使其整個使用期總費用額外節(jié)省約10%。如果光纖傳感器在土木工程中成功地應(yīng)用，不僅會節(jié)省很多測量監(jiān)測費用，有著巨大的經(jīng)濟效益；同時也會使測量精度進一步提高，能夠測量許多過去很困難或者根本無法測量的量。對于大型橋梁、水壩等基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測水平會有很大程度的提高，更加可靠地保證人民群眾的生命安全，有著巨大的社會效益。
與國際上光纖傳感器的迅猛發(fā)展相比，我國近幾年才開展這方面的研究工作。劉雄等[20]分析和比較了光纖傳感器與普通傳感器的優(yōu)缺點，研制了光纖鋼環(huán)位移計和光纖測力計等并將其應(yīng)用在實際測量中。哈爾濱工業(yè)大學(xué)智能材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)中心的冷勁松等人[21]研制成功了端口耦合式光纖振動傳感器和基于多模光纖模斑監(jiān)測的光纖振動傳感器并測試了其性能。梁磊和姜德生等[22]討論了光纖傳感器與混凝土結(jié)構(gòu)的相容性問題，并據(jù)此研制出一種新型的光纖傳感器。潘樹新和劉耀煒[23]總結(jié)了地震科學(xué)發(fā)展的歷史，指出觀測技術(shù)的革新和進步可能是地震科學(xué)煥發(fā)青春的途徑之一，光纖傳感器在地震前兆觀測中具有廣泛的應(yīng)用前景。趙廷超、黃尚廉等[24]討論和分析了機敏土建結(jié)構(gòu)中埋入光纖傳感器問題，對結(jié)構(gòu)內(nèi)部的狀態(tài)參數(shù)如應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等的無損檢測，以及對結(jié)構(gòu)整體性、安全性評估的原理和方法。李辰砂等[25]闡述了光纖監(jiān)測復(fù)合材料成型過程的原理和可行性，研制了兩種分別依據(jù)相位調(diào)制和強度調(diào)制的光纖傳感器，用于監(jiān)測復(fù)合材料固化過程中的內(nèi)部變化歷程。查開德[26]研制成功了用于大型結(jié)構(gòu)應(yīng)變測量的光纖傳感器，并介紹了這種光纖傳感器的原理、結(jié)構(gòu)和實驗研究結(jié)果。
光纖智能健康監(jiān)測系統(tǒng)主要由以下三部分構(gòu)成：光纖傳感器系統(tǒng)，信號傳輸與采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測系統(tǒng)。其中光纖傳感器系統(tǒng)包括光纖傳感器的選型，選擇具體的調(diào)制方式和符合性能要求的光纖傳感器，然后需考慮光纖傳感器的拓?fù)浞绞?，最后要考慮傳感器的安裝是外表粘貼式還是內(nèi)部埋入式。信號傳輸與采集系統(tǒng)包括光纖傳感器的校正、采樣模塊以及海量實時數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)和方式。數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測部分是健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，包括大量數(shù)據(jù)的有效性分析、結(jié)構(gòu)健康性能指標(biāo)的參數(shù)選擇、結(jié)構(gòu)運行狀態(tài)的可視化系統(tǒng)以及相應(yīng)的災(zāi)害提前預(yù)警功能等。光纖智能健康監(jiān)測系統(tǒng)的各部分之間是相互聯(lián)系、缺一不可的，每一部分都是整個系統(tǒng)的有機組成部分。由于目前光纖傳感器的標(biāo)準(zhǔn)化程度還不高，不同類型的傳感器一般都需要特定的解碼系統(tǒng)，因而一旦傳感器確定后，相應(yīng)的信號采集與處理系統(tǒng)也便隨之而定。所以光纖傳感器的優(yōu)化布置方法和實時信號的分析監(jiān)測便成為光纖智能健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵問題。
進行監(jiān)測時，光纖傳感器測量到的結(jié)構(gòu)實時狀態(tài)信號經(jīng)過信號傳輸與采集系統(tǒng)送到監(jiān)測中心，進行相應(yīng)的處理和判斷，從而對結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)進行評估。若監(jiān)測到的關(guān)鍵健康參數(shù)超過設(shè)定的閥值，則通過即時信息(SMS)、E-mail等方式及時通知相關(guān)的管理機構(gòu)，以便采取相應(yīng)的應(yīng)急措施，以避免造成重大的人員和財產(chǎn)的損失。
光導(dǎo)纖維的應(yīng)用是傳感器領(lǐng)域的重大突破，起源于光纖通信技術(shù)。在光通信利用中發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度、應(yīng)力等環(huán)境條件變化時，引起光纖傳輸?shù)墓獠◤姸?、相位、頻率、偏振態(tài)等變化，測量光波量的變化，就可知道導(dǎo)致這些變化產(chǎn)生的溫度、應(yīng)力等物理量的大小，根據(jù)這些原理便可研制出光導(dǎo)纖維傳感器。
光纖傳感器所用光纖與普通通訊用光纖基本相同，都由纖芯、包層和涂覆層組成。光纖纖芯的主要成分為二氧化硅，其中含有極微量的摻雜劑，一般為二氧化鍺，用以提高纖芯的折射率，形成全內(nèi)反射條件的弱導(dǎo)光纖將光限制在纖芯中。纖芯的直徑在5～50μm之間，其中單模光纖為9μm，多模光纖為50μm。包層主要成分也為二氧化硅，直徑為125μm。涂覆層一般為環(huán)氧樹脂、硅橡膠等高分子材料，外徑為250μm，用于增強光纖的柔韌型、機械強度和耐老化特性[27]。而有些類型的光纖傳感器由于使用的場合不同需要對普通光纖做些加工處理，使其對特定的信號更加敏感。
光纖傳感器按照是否對所測量的信號進行調(diào)制一般可分為兩類：非本征型和本征型。非本征型光纖傳感器中的光纖，只起信號傳輸作用，由另外的探測裝置對載波光進行調(diào)制獲取信號，檢測原理及所能測量的信號比較簡單[28]。因為非本征型光纖傳感器中的光纖只起信號傳輸作用，與普通傳感器中的導(dǎo)線作用相當(dāng)，因而還不能稱為嚴(yán)格意義上的光纖傳感器。本征型光纖傳感器不僅傳輸信號，也起傳感作用，即通過光纖自身的光敏效應(yīng)、光彈效應(yīng)、雙折射效應(yīng)、法拉第效應(yīng)、熒光效應(yīng)等把待測量調(diào)制為光的強度、相位、偏振或者波長的變化。本征型光纖傳感器又稱為功能型光纖傳感器或內(nèi)調(diào)制型光纖傳感器、全光纖傳感器。通常所說的光纖傳感器均指本征型光纖傳感器。光纖傳感器按照測量的空間分布情況可以分為點傳感器、準(zhǔn)分布式傳感器和分布式傳感器。其中后兩種傳感器是光纖傳感器所特有的功能，既能夠在用一根光纖測量結(jié)構(gòu)上空間多點或者無限多自由度的參數(shù)分布，這可以說是傳感器技術(shù)的根本變革。
光纖傳感器系統(tǒng)的基本原理如圖5所示：
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圖1.5 光纖傳感器系統(tǒng)示意圖
激光器發(fā)出的光在傳感區(qū)域受環(huán)境信號的調(diào)制后經(jīng)耦合器進入光探測器，解調(diào)后而得出環(huán)境信號。圖1.5為反射式傳感器系統(tǒng)的示意圖，若為透射式，則光探測器置于傳感光纖的末端。圖1.5中的傳導(dǎo)光纖與傳感光纖為一根光纖，但一般傳感部分都需經(jīng)過特別處理以便使光纖只對一種或者幾種感興趣的信號敏感，例如光纖微彎應(yīng)變傳感器通過齒形槽或者兩根光纖絞繞使傳感光纖部分有一個預(yù)變形使其對應(yīng)變敏感，而布拉格光柵光纖傳感器則在傳感光纖部分形成了一個或數(shù)個芯內(nèi)體光柵使其對某一個或者幾個特定波長的光敏感。因為光纖傳感器的調(diào)制原理種類非常繁多，特定的傳感器必須與相應(yīng)的光源和解調(diào)設(shè)備一起使用，因此下文所說的光纖傳感器均指光纖傳感器系統(tǒng)。
光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比有許多優(yōu)點：（1）質(zhì)量輕、體積小。普通光纖外徑為250μm，最細(xì)的傳感光纖直徑僅為35-40μm，可在結(jié)構(gòu)表面安裝或者埋入結(jié)構(gòu)體內(nèi)部，對被測結(jié)構(gòu)的影響小，測量的結(jié)果是結(jié)構(gòu)參數(shù)更加真實的反映。埋入安裝時可檢測傳統(tǒng)傳感器很難或者根本無法監(jiān)測的信號，如：復(fù)合材料或者混凝土的內(nèi)部應(yīng)力或者溫度場分布、電力變壓器的絕緣檢測、山體滑坡的監(jiān)測等。（2）靈敏度高。光纖傳感器采用光測量的技術(shù)手段，一般為微米量級。采用波長調(diào)制技術(shù)，分辨率可達(dá)到波長尺度的納米量級。（3）耐腐蝕。由于光纖表面的涂覆層是由高分子材料做成，耐環(huán)境或者結(jié)構(gòu)中酸堿等化學(xué)成分腐蝕的能力強，適合于智能結(jié)構(gòu)的長期健康監(jiān)測。（4）抗電磁干擾。當(dāng)光信息在光纖中傳輸時,它不會與電磁場產(chǎn)生作用，因而信息在傳輸過程中抗電磁干擾能力很強。（5）傳輸頻帶較寬。通常系統(tǒng)的調(diào)制帶寬為載波頻率的百分之幾，光波的頻率較傳統(tǒng)的位于射頻段或者微波段的頻率高幾個數(shù)量級，因而其帶寬有巨大的提高。便于實現(xiàn)時分或者頻分多路復(fù)用，可進行大容量信息的實時測量，使大型結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測成為可能。（6）分布或者準(zhǔn)分布式測量，能夠用一根光纖測量結(jié)構(gòu)上空間多點或者無限多自由度的參數(shù)分布，是傳統(tǒng)的機械類、電子類、微電子類等分立型器件無法實現(xiàn)的功能，是傳器技術(shù)的新發(fā)展。（7）使用期限內(nèi)維護費用低。
總體來看，光纖傳感器的研究與應(yīng)用美國和日本處于領(lǐng)先地位，歐洲緊隨其后。美國偏重于軍事應(yīng)用，主要是應(yīng)變光纖傳感器和抗惡劣環(huán)境的特種光纖傳感器，日本偏重于民用，而歐洲則開展了領(lǐng)域廣泛的光纖傳感器研究與應(yīng)用。比較著名的一些光纖傳感器設(shè)備公司有：美國的Blue Road Research，IFOS公司等，日本的Idec Izumi公司、Hitachi公司和Sunx公司，歐洲的Smartec, Osmos-group(York Sensors)，Ominisens公司等。
光纖光柵(Fiber Bragg Grating)傳感器屬于波長調(diào)制型非線性作用的光纖傳感器[29]。Bragg這個名字起源于X射線結(jié)晶學(xué)的先驅(qū)Bragg父子，他們發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)單色射線源從某一個特定角度入射晶體中，所有的反射光集中到一個特定的方向上，在光纖光柵中也有類似的效果。通過待測量調(diào)制入射光束的波長，測量反射光的波長變化進行檢測。由于波長是一個絕對參數(shù)，不受總體光強水平、連接光纖及耦合器處的損耗或光源能量的影響，因此比其他光調(diào)制方式更加穩(wěn)定。光纖光柵傳感器是在光纖的一段范圍內(nèi)沿光纖軸向使纖芯折射率發(fā)生周期性變化而形成的芯內(nèi)體光柵，是一種準(zhǔn)分布式傳感器。
圖1.6 光纖光柵傳感原理圖
光纖光柵是將通信用光纖的一部分利用摻鍺光纖非線性吸收效應(yīng)的紫外全息曝光法而制成的一種稱為Bragg Grating的纖芯折射率周期性變化光柵。通常的光會全部穿過此Bragg Grating而不受影響，只有特定波長的光（波長為
）在布拉格光柵處反射后會再返回到原來的方向 (參照圖1.6)。 在布拉格光柵處施加外力，光柵的間隔產(chǎn)生變化后，反射回來的光的波長也會相應(yīng)發(fā)生變化。Bragg 波長同時受布拉格光柵周期和纖芯有效折射率擾動的影響，因而通過監(jiān)測布拉格波長的變化即可測出應(yīng)變和溫度擾動。
1978年，Hill等人發(fā)現(xiàn)了光纖的光敏性，制作出世界上第一支光纖布拉格光柵(FBG)[30]。Meltz等人[31]于1989年采用橫向側(cè)面曝光技術(shù)制作光纖光柵，光纖光柵技術(shù)引起了人們的重視。之后各種新的制作方法和各種新型光纖光柵相繼被提出，例如：啁啾光柵(CFG)和長周期光纖光柵(LPG)等。隨著光纖光柵制造技術(shù)的不斷完善，應(yīng)用成果的日益增多，使得光纖光柵成為目前最有發(fā)展前途、最具有代表性的光纖無源器件之一。光纖光柵的應(yīng)用大大提高了光纖器件的性能，在光纖通信和光纖傳感領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。由于光纖光柵的出現(xiàn)，使許多復(fù)雜的全光纖通信和傳感網(wǎng)成為可能，極大地拓寬了光纖技術(shù)的應(yīng)用范圍。
在光纖通信方面，光纖光柵為光纖激光器、波分復(fù)用器、光放大器、色散補償器、波長變換器、光分插復(fù)用器和光交叉互連等關(guān)鍵部件提供了很好的解決方案。例如，利用光纖光柵的窄帶高反射率特性構(gòu)成光纖反饋腔，依靠摻鉺光纖等為增益介質(zhì)即可制成光纖激光器，用光纖光柵作為激光二極管的外腔反射器，可以構(gòu)成外腔可調(diào)諧激光二極管；利用光纖光柵可構(gòu)成：Michelson干涉型、Mach-Zehnder干涉型和Fabry-Perot干涉型的光纖濾波器；利用非均勻光纖光柵濾波器可以制作成光纖色散補償器[32]。
表1.1 基于光纖光柵的光通信器件特點
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器件名稱 |
特點 |
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光源 |
DFB光纖光柵激光器 |
邊模抑制比和頻率穩(wěn)定性均優(yōu)于DBR (distributed Bragg reflector) ；穩(wěn)定的功率輸出； 可以構(gòu)成多波長激光器 |
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DBR光纖光柵激光器 |
可獲得比DFB (distributed feedback) 更高的模式選擇性, 便于嚴(yán)格控制波長, 獲得穩(wěn)定的單模運行；輸出功率高；穩(wěn)定的功率輸出；商用化最好的可調(diào)諧激光器 |
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光纖光柵外腔激光器 |
極低的溫度依賴性；極低的閾值電流；很高的邊模抑制比；極低的啁啾量；可獲得窄線寬的穩(wěn)定激光輸出 |
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波分復(fù)用器 |
與輸入光的偏振態(tài)無關(guān)；插入損耗低; 中心反射波長可得到精確控制; 光柵反射帶寬可任意選擇; 易進行溫度補償, 對外界溫度不敏感 |
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光放大器中的應(yīng)用 |
穩(wěn)定泵浦光源的輸出激光波長; 使EDFA (erbium-doped fiber amplifier) 的增益平坦化; 抑制EDFA的ASE (amplified spontaneous emission) 噪聲; 能夠提高EDFA 的泵浦效率 |
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波長變換器 |
結(jié)構(gòu)簡單; 波長穩(wěn)定性好; 波長變換無啁啾; 便于光電子集成; 可獲得寬的波長變換范圍, 實現(xiàn)靈活的“虛波長”路由 |
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光交叉連接器 |
單個寬調(diào)諧范圍的光纖光柵可覆蓋整個EDFA 波段; 串?dāng)_低; 結(jié)構(gòu)比較簡單, 成本低 |
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光分插復(fù)用器 |
插入損耗小; 偏振不敏感; 良好的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能; 易實現(xiàn)多波長插分復(fù)用; 通道間泄漏低, 串?dāng)_低; |
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色散補償器 |
體積小, 結(jié)構(gòu)簡單非線性啁啾光柵可產(chǎn)生非線性的時延曲線, 實現(xiàn)高速通信系統(tǒng)上的PMD (polarization mode dispersion)補償；可同時補償波分復(fù)用器所有信道的色散; 色散斜率補償理想 |
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在光纖傳感方面，光纖光柵為光纖傳感技術(shù)開辟了一個新的應(yīng)用研究領(lǐng)域，可以制作應(yīng)力和溫度等參量的光纖光柵傳感器和傳感網(wǎng)絡(luò)。目前，已報道的光纖光柵傳感器可以檢測的物理量有：溫度、應(yīng)變、壓力、位移、壓強、扭角、扭矩(扭應(yīng)力) 、加速度、電流、電壓、磁場、頻率、濃度、熱膨脹系數(shù)、振動等，其中，一部分光纖光柵傳感系統(tǒng)已經(jīng)實際應(yīng)用。光纖光柵傳感器除具有光纖傳感器的所有優(yōu)點之外，還具有其獨特的優(yōu)點：
傳感頭結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、外形可變，適合埋入大型結(jié)構(gòu)中，可測量結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變及結(jié)構(gòu)損傷等，穩(wěn)定性、重復(fù)性好；
與光纖之間存在天然的兼容性，易與光纖連接、低損耗、光譜特性好、可靠性高；
具有非傳導(dǎo)性，對被測介質(zhì)影響小，又具有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點，適合在惡劣環(huán)境中工作；
輕巧柔軟，可以在一根光纖中寫入多個光柵，構(gòu)成傳感陣列，與波分復(fù)用和時分復(fù)用系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)分布式傳感；
測量信息是波長編碼的，所以，光纖光柵傳感器不受光源的光強波動、光纖連接及耦合損耗、以及光波偏振態(tài)的變化等因素的影響，有較強的抗干擾能力；
高靈敏度、高分辯力。
正是由于具有這么多的優(yōu)點，近年來，光纖光柵傳感器在大型土木工程結(jié)構(gòu)、航空航天等領(lǐng)域的健康監(jiān)測，以及能源化工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近幾年對波長解調(diào)技術(shù)的深入研究和不斷成熟，已經(jīng)擴大了光纖光柵傳感器的應(yīng)用，并為智能傳感這一新思路創(chuàng)造了的一個新的機遇。智能結(jié)構(gòu)監(jiān)測，智能油井和管道，智能土木工程建筑，以及智能航空、航海傳感都需要高質(zhì)量、低成本、穩(wěn)定性好、傳感特性精密的光學(xué)傳感器，光纖光柵傳感器陣列由于其波長編碼、可同時測量多個物理量（溫度、應(yīng)力、壓力等）以及一路光纖上應(yīng)用波分復(fù)用技術(shù)等自身的優(yōu)點在上述領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛關(guān)注。世界著名的油田設(shè)備服務(wù)商Schlumberger和Weather Ford，在過去的兩年里，分別投資超過一個億美元購買光纖光柵傳感器技術(shù)，廣泛應(yīng)用于陸地油井和海上石油平臺監(jiān)控。同時，美國國家宇航局專門立項用此傳感器對飛行器材料和結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。美國海軍用此傳感器進行對艦船潛艇結(jié)構(gòu)進行監(jiān)控，并在此基礎(chǔ)上研究開發(fā)超靈敏的光纖光柵的聲納系統(tǒng)。目前國際國內(nèi)都在為光纖光柵傳感器的發(fā)展而努力，國際上已經(jīng)基本實現(xiàn)了光纖光柵傳感器的產(chǎn)業(yè)化和工程化，如MOI、CiDRA、Weatherford等，而國內(nèi)主要集中在一些研究單位，仍未完成由實驗室向產(chǎn)品過渡的階段。
表1.2 光纖光柵在民用工程領(lǐng)域的應(yīng)用情況
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國家或單位 |
研究成果 |
功能 |
應(yīng)用情況或潛在的應(yīng)用領(lǐng)域 |
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加拿大 |
應(yīng)力光纖傳感器[33] |
對橋梁結(jié)構(gòu)進行長期的應(yīng)力監(jiān)測 |
Bedding Ton Trail 大橋上安裝了這種裝置, 16個光纖光柵貼附在鋼增強桿和碳纖維復(fù)合材料上 |
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美國 |
分布式光纖光柵測量系統(tǒng)[33] |
監(jiān)測動態(tài)載荷引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)、退化和損壞 |
新墨西哥Las Cruces 10 號洲際高速公路的鋼結(jié)構(gòu)橋梁的監(jiān)測, 橋梁上安裝了120個光纖光柵 |
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Blue Road Research(美國) |
溫度、應(yīng)力光纖光柵傳感器, 以及相關(guān)技術(shù)的專利[34][35] |
對橋梁結(jié)構(gòu)等進行健康監(jiān)測, 以及對生產(chǎn)過程進行監(jiān)控 |
在俄勒岡州哥倫比亞河峽谷上的Horsetail Falls橋上安裝了這種裝置, 28個光纖光柵對橋梁進行健康監(jiān)測 |
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歐洲的STABILOS 計劃 |
光纖光柵傳感系統(tǒng)[36] |
測量地下建筑的載荷和靜態(tài)位移 |
地下礦井、隧道, 以及儲藏山洞的監(jiān)測, 大壩、橋梁及其他建筑物都是潛在的應(yīng)用對象 |
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荷蘭 |
光纖光柵傳感系統(tǒng)[37] |
監(jiān)測動態(tài)載荷 |
將被應(yīng)用于鋼板的振動測量, 外界環(huán)境引起的震動波監(jiān)測 |
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南洋理工大學(xué)的 校產(chǎn)公司 (新加坡) |
各種參量的光纖光柵傳感器[38] |
民用結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、載荷和溫度監(jiān)測, 混凝土固化監(jiān)測, 結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂縫情況的監(jiān)測 |
各種民用結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測, 一根光纖上最多復(fù)用30個光纖光柵 |
圖1.7 專利和光纖傳感器市場銷售額的統(tǒng)計
光纖和光纖光柵傳感技術(shù)已在通信和光纖傳感技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用，并在這些應(yīng)用領(lǐng)域中顯示了它的優(yōu)越性、不可替代性和在各個領(lǐng)域的極大應(yīng)用前景[39]。從1992 年以來的市場銷售額和專利申報情況可以看出光纖光柵傳感技術(shù)的發(fā)展速度，圖1.7給出了自1992 年以來專利申報和市場銷售額的統(tǒng)計數(shù)。從圖中可以看出，1992年的市場銷售額僅為＄1.9×108，1997 年為＄3.05 × 108，到2002 年增長為＄5.5×108，目前已迅速增長為年銷售額超過＄10×108，預(yù)計到2010年將超過＄50×108。
綜上所述，基于光纖光柵的傳感技術(shù)近年來層出不窮，充分地顯示了它的優(yōu)勢，然而光纖光柵傳感技術(shù)仍然處在迅速發(fā)展的階段?？梢灶A(yù)見，隨著光纖光柵傳感器的商品化和性能的不斷提高，光纖光柵必將在傳感領(lǐng)域呈現(xiàn)出巨大的活力，在國防和國民經(jīng)濟建設(shè)中發(fā)揮重要的、不可替代的作用。
光纖光柵可以埋入結(jié)構(gòu)對其內(nèi)部的應(yīng)變等參數(shù)進行實時的高分辨率和大范圍監(jiān)測，是未來智能結(jié)構(gòu)的集成光學(xué)神經(jīng)，也是目前健康監(jiān)測首選的傳感器。由于光纖光柵具有不受電磁場干擾和光路光強波動影響、具有絕對測量和易于實現(xiàn)波分復(fù)用的準(zhǔn)分布式傳感等突出優(yōu)點，自Meltz等(1989)提出側(cè)向全息法寫入以來得到迅猛發(fā)展。目前，對光纖光柵傳感器的研究方向主要有以下幾個方面：
光纖光柵傳感器設(shè)計及技術(shù)研究：針對工程測量的參量類型、性質(zhì)、分布等不同要求，需要對光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)進行特殊設(shè)計，以保證感測結(jié)果的精確性和可重復(fù)性。目前，已報道的光纖光柵傳感器可以檢測的物理量有：溫度、應(yīng)變、壓力、位移、壓強、扭角、扭矩(扭應(yīng)力)、加速度、電流、電壓、磁場、頻率、濃度、熱膨脹系數(shù)、振動等。利用光纖光柵的優(yōu)點，開發(fā)一系列高靈敏度、高分辨率的傳感器成為光纖光柵傳感技術(shù)發(fā)展的熱點。
信號解調(diào)系統(tǒng)研究：高精度、低成本的波長檢測技術(shù)是信號解調(diào)的應(yīng)用基礎(chǔ)，目前光纖光柵解調(diào)設(shè)備普遍存在分辨率不高、采樣頻率低、復(fù)用性不夠以及成本過高的缺點，開發(fā)低成本、小型化、可靠及靈敏的探測技術(shù)是光纖光柵傳感技術(shù)的一個重要方向。
光纖光柵傳感器封裝技術(shù)的研究。工業(yè)施工現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣，光纖纖細(xì)易斷，采用先進的封裝工藝使得光纖光柵傳感器在惡劣的環(huán)境中正常工作尤為重要。封裝主要考慮如何保護纖細(xì)的光纖光柵，并將其集成在結(jié)構(gòu)中進行準(zhǔn)確的測量。同時，有效的封裝還能在一定程度上提高光纖光柵傳感器的測量靈敏度。此外，對于不同的測量要求，需要開發(fā)相應(yīng)的封裝方式以適應(yīng)不同的基體結(jié)構(gòu)。
光纖光柵傳感器的應(yīng)變傳遞機制和實用的應(yīng)變傳遞計算方法。黃國君等[40]將FBG分別表面粘貼于銅、不銹鋼和聚合物等材料的基體上，在拉伸試樣上測得其應(yīng)變傳遞系數(shù)分別為0.891，0.891和0.583，實驗證明了不同的材料和封裝方式對光纖光柵傳感器應(yīng)變傳遞有很大的影響。
應(yīng)變、溫度交叉敏感的問題解決的好壞直接影響到光纖光柵傳感器的實用化，而且，多參量同時傳感是發(fā)展方向。
光纖光柵傳感器穩(wěn)定性和耐久性問題。大型工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用壽命一般為幾十年甚至更長，所以光纖光柵的長期穩(wěn)定性和耐久性直接影響到光纖光柵傳感器在結(jié)構(gòu)長期健康監(jiān)測的應(yīng)用。影響光纖光柵穩(wěn)定性和耐久性的因素很多，如環(huán)境溫度、濕度、化學(xué)腐蝕等。人們發(fā)現(xiàn)光纖光柵的中心波長、折射率、反射率會隨著時間和溫度的變化而變化，雖然變化量很小，但也影響到了傳感器的長期穩(wěn)定性。
光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的研究：分布式、多參量、多功能感測的傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是實現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)體實時監(jiān)測的希望所在。由于光纖光柵可以靈活的串、并接，并且能夠分別對壓力、溫度、振動等多種參量實時感測，因此，借鑒光復(fù)用通信技術(shù)，利用光波復(fù)用和空間分割，可以構(gòu)建多維度(線陣、面陣、體陣及其復(fù)合)、多參數(shù)(力學(xué)量、熱學(xué)量、幾何量等)、多功能、分布式(多點準(zhǔn)分布式、連續(xù)分布式)、智能型(機敏、蒙皮等)傳感系統(tǒng)。
損傷定位及評估技術(shù)研究：對于大規(guī)模光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)而言，為保證結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的實時性，還必須提高傳感信號的處理效率，快速有效地區(qū)分被測量信號與外部干擾信號，確定傳感數(shù)據(jù)與真值之間的關(guān)系，進而確定損傷發(fā)生的部位和程度。由于智能材料結(jié)構(gòu)中光纖傳感網(wǎng)絡(luò)分布范圍很大，傳感網(wǎng)絡(luò)輸出信號可能是大面積的分布信號，且常常呈非線性關(guān)系，計算與分析工作量很大。因此，必須研究針對大規(guī)模分布式傳感網(wǎng)絡(luò)的快速信號分析和處理算法。
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