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光纤传感的基本原理是:光源入射的光束经由光纤进入光纤传感器件,在传感器内与外界物质相互作用,该光束成为被待测物理参数调制的光信号, 使强度、波长、频率、相位、偏振态等光参量发生变化,光信号再由光纤进入光电器件,经解调器的解调后可获得被测参数。整个过程中,光纤及其传感器件起到信号传输和外界物理量感知的作用,是光纤传感的关键组成部分。不同于远距离传输的通信光纤,为了更敏锐地“感知”外界各种信息,通常需要对光纤的波导结构进行特殊的设计,并将其加工成各种高精度的光纤传感器件。
光纤布拉格光栅(FBG)是业界公认的种类最多、商用化程度最高、应用领域最广泛的一类光纤传感技术。同其他光纤传感技术相比,FBG的传感信号强、精度高、响应快,不受光源波动和链路损耗变化的影响,抗干扰能力强;通过合理地设计与封装, 单个传感器可达到很强的环境耐受能力,同时具有组网复用方式灵活多样的特点。利用光纤光栅作为传感单元,人们发展了众多类型的FBG传感器,FBG传感器能够检测温度、应力、应变、位移、加速度等诸多参量信息,广泛应用于土木工程等领域,具体的应用有桥梁、隧道、边坡、大坝等大型建筑的结构健康与安全监测,石油天然气的油藏监测、井下温度/压力传感、管道完整性监测,火电、水电、风电、核电等领域大型电力设施的运行状态监测,大型石油储罐、长交通隧道的快速高精度火灾探测,航空航天结构与材料疲劳特性监测,以及高速公路、高速铁路/地铁、机场道面的智能监测等。
工作原理
FBG的原理是在光纤纤芯形成微纳周期结构, 其利用光纤纤芯材料的光敏特性,通过紫外曝光方法,在纤芯中产生周期性的折射率分布,进而形成一个特定波长的窄带反射滤波器。因此,FBG传感解调的最基本工作原理就是:外界被测参量变化时,通过解调FBG传感器引起反射波长变化。
技术发展
光纤的光敏特性早在1978年就被发现,但是直到20世纪90年代,在光纤通信领域和光纤传感领域的一系列里程碑式的技术进步才使得FBG的商用化得到快速发展。
需求现状
FBG阵列传感是新一代光纤光栅传感技术,其采用拉丝塔在线刻写光纤光栅,利用波分和时分混合复用的方式对海量传感信号进行解调,有机结合 了传统“分立式光纤光栅传感”与“分布式光纤传感”各自的优势,是实现大容量、高精度、高密度、长距离、高可靠性光纤传感网络的最有效途径。
近年来,中国在高速铁路、城市轨道交通、高速公路、军用/民用机场、石油天然气管线、大型桥梁与水利设施等大型基础设施的建设及其运营方面一直保持高速发展。这些大型基础设施与重大工程的运行状态监测与安全管理,成为当前急需考虑和解决的首要问题。
FBG阵列传感作为一种可灵活配置的大规模、长距离、高精度、快响应、多参量、高可靠性的新一代光纤光栅传感新技术,能够为上述重大基础设施的 状态监测与安全管理提供完整先进的解决方案,可及时掌握其在役状态、健康状况,对潜在的病害和发的事件及时地进行预警和报警,以显著提升实时 监测能力与安全管理水平。
挑战性的问题与难点
分立式FBG传感器开始商用至今已有30多年的历史,该项技术的关键器件已经全部实现国产化, 并在众多领域得到广泛应用。其面临的主要问题是:
1)、极端工作条件下,光纤光栅传感器本身及其熔接组网的可靠性较低,例如油气井下耐高温高压以及抗氢损的能力、核辐照环境下的耐受能力较弱等。
2)、分立式光纤光栅传感器种类繁多、适用场景广泛,目前仍缺少统一的工业标准,极大限制了其发展应用。 FBG阵列传感技术自2003年提出至今已接近20年。其面临的主要问题是:
1)、面向诸多实际应用场景的光纤光栅阵列传感光缆的成缆关键技术、规模化生产工艺与工程安装规范;
2)、结合实际应用场景需要的光纤光栅阵列海量传感大数据的实时采集、存储、处理以及人工智能模式识别;
3)、面向大型基础设施结构健康监测和重点行业领域安全监测的基础数据库/样本库建设、专家系统与智能化功能平台开发。
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