实验室中的光纤传感技术与应用案例

光纤传感技术在电力行业安全监测中的应用

摘要：光纤传感技术是20世纪70年代末兴起的一种先进的多学科交叉技术，不同于传统的传感技术，现已与光纤通信并驾齐驱，发展前景良好，具有的绝缘、体积小、重量轻、耐高温、抗电磁干扰、防腐蚀、灵敏度高、测量频带宽、传输损耗小等众多优异性能，且易于组成传感监测网络，先进的光纤传感器灵敏度比常规光电传感器高几个数量级，能够对应变、压力、温度、振动、声场、折射率、加速度、电压、气体等各种参数进行精确测量，监测的物理量多达70多种。其工程化应用研究一直是国内专家学者研究的热点方向，在医学、生物、建筑工程等行业应用较多，在电力行业应用多呈点状现象，没有相关成熟的应用经验，在电力行业安全监测方面有广阔的推广应用空间。

关键词：光纤传感技术；电力行业；安全监测

1国内外研究现状

20世纪80年代，光纤传感技术就显示出广阔的应用前景，但当时真正投入实际应用的却不多，主要因为与传统的传感技术相比，光纤传感器的优势是本身的物性特性而不是功能特性。20世纪90年代后期，光通信带动下得光子产业取得了巨大成功，光纤传感器呈现产业化发展。在国际上，美国、英国、加拿大等西方发达国家以及亚洲日本、韩国利用其技术和资金优势，在光纤传感技术领域处于领先地位，主要研究机构有：美国海军实验室（NRL）、国家航空管理局（NASA）的大实验室（LargerresearchLab）、BlueRoadResearch公司、MieronOptics公司、英国的Eity大学、Kent大学、SmartFibers公司，加拿大PhotonicsReseareh公司以及韩国的国家光子研究中心等。研究应用领域主要集中在医学和生物、化学和环境、军事和智能结构等。在国内，传感理论研究方面以清华大学、中科院半导体所、吉林大学、上海光机所等为代表，对光纤的成栅机理、光敏性、光波传输规律等问题进行了深入研究。在工程应用方面，哈尔滨工业大学、香港理工大学、上海紫栅公司已经完成了将光纤光栅传感系统用于呼兰河、青马、卢浦等桥梁的结构监测；清华大学、武汉理工大学、西安石油大学、北京邮电大学、燕山大学等单位也开展了将光纤光栅用于压力、温度、电流、电压、液位等参量的传感应用研究，取得了许多阶段性成果。在智能电网光纤传感产品供应商中，国内主要有上海波汇、上海华魏、苏州光格、武汉理工光科、深圳安捷等，国外厂商有美国MOI，德国LIOS和APSensing，英国Sensa和SmartFiber，加拿大QPS，OPSENS等。国内厂商近些年来技术发展迅速，在电流互感器、光纤光栅、拉曼、布里渊等多项光纤传感技术取得较大的突破，与国外还有较大的技术差距，需要进一步发展。

基于光纤传感技术的智能工程监测系统研究

随着工程建设的规模不断扩大，对于工程的监测与管理也变得愈加重要。为了监测工程建设过程中的各项指标，保证工程质量与安全，越来越多的科学技术开始被应用于工程监测领域。其中，基于光纤传感技术的智能工程监测系统成为了应用最为广泛的一种。

一、光纤传感技术的基本原理

光纤传感技术的基本原理是利用光学传感器将光纤与测量物理量相结合，实现对指标的高精度测量。光纤传感技术的最大优点是它具有高灵敏度、高分辨率、长测量距离、抗干扰能力强、耐腐蚀、耐高温、耐放射性等特点，能够在恶劣环境下实现对工程监测数据的可靠采集与处理。

二、基于光纤传感技术的智能工程监测系统的结构

目前，基于光纤传感技术的智能工程监测系统主要由以下几个部分组成：

1. 光纤传感器

光纤传感器是光纤传感技术的核心部件，也被称为“眼睛”。它主要负责将光信号转换成物理量，并传输到数据采集终端进行处理。光纤传感器的形态和功能各异，通常包括纤芯与外层材料，可以根据不同的要求进行定制。

2. 数据采集终端

数据采集终端是对光纤传感器输出数据进行采集、处理、存储和传输的设备。它主要负责将不同光纤传感器采集到的数据进行整合、处理并反馈给用户，能够对工程状况进行实时监测。

3. 控制中心 控制中心是整个智能工程监测系统的核心部分，它可以连接所有的数据采集终端，实现对数据进行汇总、分析和预警。控制中心的操作界面往往采用可视化设计，可以对工程各个指标数据进行实时监控和录入，同时也可以设置各项报警指标，当数据超出预警范围时，控制中心会自动发出提示。

三、基于光纤传感技术的智能工程监测系统的应用

基于光纤传感技术的智能工程监测系统已经广泛应用于各种工程建设、大型设施设备维护等领域。例如：

1. 桥梁监测

桥梁经常处于自然环境的磨蚀和车辆负荷等影响下，加之工程建设进度较长，其安全可靠性一直是一个难题。基于光纤传感技术的智能工程监测系统可以实时监测桥梁各项性能指标，如振动、温度、变形等，及时发现桥梁存在的问题，可以有效提升桥梁安全性。

２００６年４月　第２期（总９２）　铁道工程学报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＲＡＩＬＷＡＹ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ＳＯＣＩＥＴＹ　Ａｐｒ　２００６　ＮＯ．２（Ｓｅｒ．９２）　

文章编号：１００６—２１０６（２００６）０２—００６７—０４　

光纤传感技术在地下工程中的应用　

马锁柱　

（中铁隧道集团有限公司，　河南洛阳４７１００９）　

摘要：研究目的：光纤传感技术是一种新型的监测技术。新建北京地铁５号线崇文门站需要从既有运营地铁　下穿过，为控制开挖引起的土层沉降，需要对施工中采用的超前大管棚的应变进行测试，传统的测试手段难以　满足要求，因此采用了光纤传感技术。　研究方法：在大管棚施工前在其上顶埋光纤传感器，并对光纤传感器进行相应的保护措施，以保证其工作　正常，管棚施作时附带光纤传感器一起顶入土层中，因为光纤传感器是附着在管棚上的，应变可以通过光纤传　感器反映出来。　研究结论：通过测试，可以看出光纤传感技术能够测试管棚应变，精度较高；光纤传感器能够在复杂的环　境下测试管棚的应变，比电阻片测试更具有耐久性和适应性，光纤传感技术可以在地下工程中推广应用。　关键词：光纤；传感技术；地下工程；应变测试；应用　中图分类号：ＴＮ９１３．３３　文献标识码：Ａ　

ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ　ＯＦ　ＯＰＴＩＣＡＬ　ＦＩＢＥＲ　ＳＥＮＳＩＮＧ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮ　ＴＨＥ　

ＵＮＤＥＲＧＲＯＵＮＤ　ＰＲＯＪＥＣＴ　

ＭＡ　Ｓｕｏ——ｚｈｕ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｐｕｒｐｏｓｅｓ：Ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ａ　ｎｅｗ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｍｏｎｉｔｏｒ　ｓｕｐｅｒｖｉｓｅ．Ｔｈｅ　ｎｅｗｌｙ　

ｂｕｉｈ　Ｃｈｏｎｇｗｅｎｍｅｎ　ｓｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｓｕｂｗａｙ　Ｌｉｎｅ　５　ｇｏｅｓ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ａｌｒｅａｄｙ　ｒｕｎｎｉｎｇ　ｌｉｎｅ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅ　ｄｉｓ—　

Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｅｃｏｎｏｍｙ　ｉｎ　Ａｒｅａｓ　ｏｆ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　

光纤光栅及其在传感技术中的应用　

须　莹　

（黑龙江工程学院机电工程系，黑龙江哈尔滨１５００５０）　惫　

摘要：主要对光纤光栅的工作原理进行了阐述，并着重以光纤Ｂｒａｇｇ光栅传感器为例介绍了这一新兴科技在传感　

器技术中的应用，特别阐述了光纤光栅传感器在民用结构中的用途，从而指出了光栅传感器目前最热门的研究方向　

是光栅传感器的实际应用研究。　

关键词：光纤光栅；光敏特性；传感器；Ｂｒａｇｇ　

中图分类号：ＴＰ２１２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００８　５６９６（２００７）０３—００６６—０２　

Ｆｉｂｅｒ　Ｇｒａｔｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｓｅｎｓｏｒ　

ＸＵ　Ｙｉｎｇ　

（Ｄｅｐｔ．ｏｆ　Ｅｌｅｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｉｌｏｎｇｉｉａｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５００５０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｆｉｂｅｒ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｓｅｎｓｏｒ　ｉｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎｅｗ　

ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｎ　ｓｅｎｓｏｒ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｏｆ　ｆｉｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｓｅｎｓｏｒ．Ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｆｉｂｅｒ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｉｓ　ｅｘ—　

ｐｏｕｎｄｅｄ　ｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｉｎ　ｃｉｖｉｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｏｐｕｌａｒ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎａｔｅ　ｔｏ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｓｅｎｓｏｒ　ａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ，　

ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｒｅｓｅａｒｃｈ．