西安工业大学北方信息工程学院。
大作业(**)
题目：光纤光栅传感器在工程中的应用。
系别： 光电信息系
专业： 测控技术与仪器
班级。学生。
学号。任课教师。
2023年10月。
光纤光栅传感器在工程中的应用。
摘要。光纤光栅是最近几年发展最为迅速的光线无源器件之一，自2023年等人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成第一只光纤光栅，经过二十多年来的发展，在光纤通信、光纤传感等领域均有广阔的应用前景。随着光纤光栅制造技术的不断完善，光纤光敏性逐渐提高；各种特种光栅相继问世，光纤光栅某些应用已达到商用化程度。
应用成果日益增多，使得光纤光栅成为最有发展前途、最具代表性和发展最为迅速的光纤无源器件之一。
本文简要地阐述了光纤光栅传感器的工作原理，概述了光纤光栅传感器的实际应用，着重给出了光纤光栅传感器在工程上应用。
关键词：光纤；光栅；传感器原理；土木工程结构；健康监测；电力系统；
1 绪论。1.1 概述。
光纤光栅自问世以来，已广泛应用于光纤传感领域。由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、高灵敏度和低成本以及和普通光纤的良好的兼容性等优点，所以越来越受关注。由于光纤光栅的谐振波长对应力应变和温度的变化敏感，所以主要用于温度和应力应变的测量。
这种传感器是通过外界参量(温度或应力应变)对bragg光纤光栅的中心波长调制来获得传感信息的。因此，传感器灵敏度高，抗干扰能力强，对光源能量和稳定性要求低，适合作精密、精确测量。
1.2 光纤光栅传感器的现状。
光纤光栅传感器现已占以光纤为主的材料的44.2 %。光纤光栅传感器已被用于各个方面，例如高速公路、桥梁、大坝、矿山、机场、船舶、地球技术、铁路、油或气库的监测。
传感器的一个发展方向就是多点、分布式传感器，它们主要是利用wdm, tdm, sdm, cdma的组合。
光纤传感器种类繁多，能以高分辨率测量许多物理参数，与传统的机电类传感器相比具有很多优势，如：本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、体积小、重量轻、灵活方便等，因此其应用范围非常广泛，并且特别适于恶劣环境中的应用。有人说：
2023年世界光纤传感市场约1. 9亿美元，1997约3. os亿美元，到2023年预订可达到5.
5亿美元。也有人**：本世纪头10年，仅美国光纤传感器的市场就有50亿美元。
1.2.1 国内外研究现状
作为一种新型的光子器件，光纤光栅的研制应用近年来受到普遍关注。目前，已报道的光纤光栅传感器可以检测的物理量有：温度、应变、压力、位移、压强、扭角、扭矩（扭应力）、加速度、电流、电压、磁场、频率、浓度、热膨胀系数、振动等，其中，一部分光纤光栅传感系统已经实际应用。
通常，温度、应变和压力是直接影响光纤光栅波长独立变化的物理量，但裸光栅对温度、应变和压力响应的灵敏度都很低，光纤光栅传感器要想在实际中得到广泛应用，必须对其增敏。另外，光纤光栅传感器存在应变和温度交叉敏感问题，克服这一问题，实现多参数同时测量是光纤光栅传感器从实验室走向实际应用必须解决的问题。国内外学者在此方面做了许多工作，提出了一些方法，目前，区分应变和温度的方法主要有两大类：
一是温度补偿fbg方法；二是其他对温度与应变敏感的传感器与fbg的组合测量方法。
通过光纤光栅对温度、应变的响应，人们已经实现了对位移、倾角、扭矩、流速等物理量的传感，并有望制成相应传感器，应用于实践中。2023年，ｇuan bai-ou等人设计了一种基于光纤bragg光栅的倾角传感器，可以在测量倾斜角度大小的同时确定方向2023年，lo yrrlung等人提出了一种测量扭矩的fbg传感系统。
2 光纤光栅传感器的原理。
光纤布拉格光栅fbg于2023年发明问世。它利用硅光纤的紫外光敏性写入光纤芯内，从而在光纤上形成周期性的光栅，故称为光纤光栅。图l所示是其光纤光栅传感器的典型结构。
在图1所示的光纤光栅传感器结构中，光源为宽谱光源且有足够大的功率，以保证光栅反射信号良好的信噪比。一般选用侧面发光二极管eled的原因是其耦合进单模光纤的光功率至少为50～100 μw。而当被测温度或压力加在光纤光栅上时。
由光纤光栅反射回的光信号可通过3 db光纤定向耦合器送到波长鉴别器或波长分析器，然后通过光探测器进行光电转换，最后由计算机进行分析、储存，并按用户规定的格式在计算机上显示出被测量的大小。
3 光纤光栅传感器在工程上的应用实例。
3.1 光纤光栅传感器在民用工程上的应用。
民用工程中的结构监测是光纤光栅应用最活跃的领域。基础结构的状态，力学参数的测量对于桥梁、大坝、隧道、高层建筑和运动场馆的维护是至关重要的，通过测量建筑物的分布应变，可以预知局部荷载的状态。光纤光栅传感器既可以贴在现存结构的表面，也可以在浇筑时埋入结构中对结构进行实时测量，监视结构缺陷的形成和生长。
另外，多个光纤光栅传感器可以串接成一个网络对结构进行分布式检测，传感信号可以传输很长距离送到中心监控室进行遥测。因此在民用工程中，光纤光栅传感器成为结构监测的最重要手段。
目前，应用光纤光栅传感器最多的领域当数桥梁的安全监测·加拿大卡尔加里附近的beddingyon trail大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一(2023年),16个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和炭纤复合材料筋上，对桥梁结构进行长期监测，这在以前被认为是不可能。
2023年夏，在美国新墨西哥l as cruces 10号州际高速公路的一座钢结构桥梁上，安装了120个光纤光栅传感器，创造了当时在一座桥梁上使用光纤光栅传感器最多的纪录。这座桥梁于2023年建成，已经出现了许多疲劳裂纹，光纤光栅传感系统不仅可以对标准车辆进行探测和计数，而且要以测量车辆的速度和重量，有了此系统，就能监视动态荷载引起的结构响应、退化和损坏。了解桥梁对交通响应的长期变化。
在地下工程和采矿一业中，岩石形变的静态测量受到特别的关注，因为地下挖掘和爆破一般会造成周围地层的应力体系变化，这可能引起周围环境不稳定从而威胁工人的安全并造成破坏。德国的gfz polsdam开发了一种地下岩石挖掘过程中测量应变的光纤光栅传感器一fbx地脚螺栓。这种新型的传感器是在一根玻璃纤维增强聚合物岩石地脚螺栓中埋。
入光纤光栅，用于探测岩石构成和岩石工程结构中的静态和动态应变，这些结构包括隧道、洞穴、坑道、或者深层地基。这种传感器很有希望用于监视复杂的地质数据场，如恶劣环境条件下的位移、应变、应力、压力和温度。另外他们还开发了一种光纤光栅**成像系统并在瑞士一个地下煤矿一坑道中进行了现场试验。
新的光纤光栅传感器能被用作**接收器，测量实际岩块中非常小的应变振动。
在欧洲的stabilos计划中，一种基于宽带掺饵光纤光源和可调法一泊滤波器的光纤光栅传感系统设计用于矿井主梁的长期静态位移测量；另一个用滚动干涉滤波器进行解调的光纤光栅传感网络用来监视瑞士的mont terri隧道。还有一个欧洲的cosmus计划，于2023年开始，旨在改善民用工程建设的安全，具体目标为：在建造地下运输系统时，监控1 mm以内的地下运动，光纤光栅被用来制作带温度补偿的静态分布式应变传感器。
瑞士联邦材料测试和研究实验室将光纤光栅传感器安装在luzzone大坝中，对大坝进行安全监测。
3.2 光纤光栅传感器在航空航天业上的应用。
航空航天业是一个使用传感器密集的地方，一架飞行器为了监测压力、温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等，所需要使用的传感超过100个，因此传感器的尺寸和重量变得非常重要。光纤光栅传感器只有1根光纤，敏感元件(光栅〕制作在纤芯中，从尺寸小和重量轻的优点来讲，几乎没有其他传感器可以与之相比。因此航空航天业对光纤光栅传感技术非常重视，仅波音公司就注册了好几个光纤光栅传感器的技术专利。
使用先进的复合材料来制造航空航天结构(如机翼部件)是一个必然的趋势。与金属材料相比，先进的复合材料更能抗疲劳、重量更轻、强度一重量比更好、能够制作复杂的形状、而且抗腐蚀，尤其是很容易在复合材料结构的制造过程中埋入光纤光栅传感器，实现飞行器运行过程中机载传感系统的实时健康和性能监视，这可以减少飞行器重量、缩短检查时问、降伯维护成本，从而改善其性能。smart fibres ltd为飞机和航天器提供埋有光纤光栅传感器的复合材料灵巧结构，以利于健康和使用的监测、结构的损伤摘测、设计信息的搜集、制造辅助控制、智能控制以及红构尺寸监测。
美国国家航空和宇宙航行局对光纤光栅传感器的应用非常重视，他们在航天吃机x -33上安装了测量应变和温度的光纤光栅传感网络，对航天飞机进行实时的健康监测。x -33是一架原型机，设计用来作“国际空问站”的往返飞行。埃姆斯研究中心用无损伤灵敏压力传感器对***旋翼进行测量，他们将光纤光栅传感器埋入一个特别设计的套管中，管厚小于1.
6 mm可在飞行和风洞试验中提供两维、实时的传感数据。目前***旋翼的压力传感是在机翼上钻孔，将压力传感器放入孔中进行测量。这种有损位的方法要求对旋翼进行特殊的设计和制造，需耗资一百多万美元。
他们还将光纤光栅传感器应用于测量尾部旋翼荷载、转子与机身的作用、机内转子航空动力学、倾斜转子中转子的相互作用、转轴航空动力学、以及尾流与尾翼的相互作用。兰利研究中心和汉普顿大学合作开发用于空气动力学装置的光纤光栅剪切应力监测传感器。
3.3 光纤光栅传感器在电力工业上的应用。
电力工业中的设备大都处在强电磁场中，一般电类传感器无法使用。很多情况下需要测量的地方处在高压中，如高压开关的**监测，高压变压器绕组、发电机定了等地方的温度和位移等参数的实时测量，i这些地方的测量需要传感器具有很好的绝缘性能、体积要小、而且是无源器件，光纤光栅传感器是进行这些测量的最佳选择。有一些电力设备经常位于难以到达的地方，如荒山野岭、沙漠荒原中的传输电缆和中组变电站，使用分布式光纤光栅传感系统的遥测能力可以极大地减少设备维护费用。
因此光纤光栅传感器在电力工业中的应用前景很好。
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