光纖光柵傳感器的應用

　　1、在地球動(dòng)力學(xué)中的應用

　　在地震檢測等地球動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域中，地表驟變等現象的原理及其危險性的估定和預測是非常復雜的，而火山區的應力和溫度變化是目前為止能夠揭示火山活動(dòng)性及其關(guān) 鍵活動(dòng)范圍演變的最有效手段心。光纖光柵傳感器在這一領(lǐng)域中的應用主要是在巖石變形、垂直震波的檢測以及作為地形檢波器和光學(xué)地震儀使用等方面?；顒?dòng)區的 應變通常包含靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種，靜態(tài)應變(包括由火山產(chǎn)生的靜態(tài)變形等)一般都定位于與地質(zhì)變形源很近的距離，而以震源的震波為代表的動(dòng)態(tài)應變則能夠在與震 源較遠的地球周邊環(huán)境中檢測到。為了得到相當準確的震源或火山源的位置，更好地描述源區的幾何形狀和演變情況，需要使用密集排列的應力－應變測量?jì)x。光纖 光柵傳感器是能實(shí)現遠距離和密集排列復用傳感的寬帶、高網(wǎng)絡(luò )化傳感器，符合地震檢測等的要求，因此它在地球動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域中無(wú)疑具有較大的潛在用途。有報道指 出，光纖光柵傳感器已成功檢測了頻率為0.1Hz～2Hz，大小為10-9 e的巖石和地表動(dòng)態(tài)應變。

　　2、在航天器及船舶中的應用

　　先進(jìn)的復合材料抗疲勞、抗腐蝕性能較好，而且可以減輕船體或航天器的重量，對于快速航運或飛行具有重要意義，因此復合材料越來(lái)越多地被用于制造航空航海工具(如飛機的機翼)。

　　為全面衡量船體的狀況，需要了解其不同部位的變形力矩、剪切壓力、甲板所受的抨擊力，普通船體大約需要100個(gè)傳感器，因此波長(cháng)復用能力極強的光纖光柵傳 感器最適合于船體檢測。光纖光柵傳感系統可測量船體的彎曲應力，而且可測量海浪對濕甲板的抨擊力。具有干涉探測性能的16路光纖光柵復用系統成功實(shí)現了帶 寬為5kHz范圍內、分辨率小于10ne/(Hz)1/2的動(dòng)態(tài)應變測量。

　　另外，為了監測一架飛行器的應變、溫度、振動(dòng)，起落駕駛狀態(tài)、超聲波場(chǎng)和加速度情況，通常需要100多個(gè)傳感器，故傳感器的重量要盡量輕，尺寸盡量小，因此最靈巧的光纖光柵傳感器是最好的選擇。另外，實(shí)際上飛機的復合材料中存在兩個(gè)方向的應變，嵌人材料中的光纖光柵傳感器是實(shí)現多點(diǎn)多軸向應變和溫度測量的 理想智能元件。

　　3、在民用工程結構中的應用

　　民用工程的結構監測是光纖光柵傳感器最活躍的領(lǐng)域。對于橋梁、礦井、隧道、大壩、建筑物等來(lái)說(shuō)，通過(guò)測量上述結構的應變分布，可以預知結構局部的載荷及狀 況，方便進(jìn)行維護和狀況監測。光纖光柵傳感器可以貼在結構的表面或預先埋入結構中，對結構同時(shí)進(jìn)行沖擊檢測、形狀控制和振動(dòng)阻尼檢測等，還以監視結構的缺 陷情況。另外，多個(gè)光纖光柵傳感器可以串接成一個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò )，對結構進(jìn)行準分布式檢測，并通過(guò)計算機對傳感信號進(jìn)行遠程控制。

　　光纖光柵傳感器可以檢測的建筑結構之一為橋梁。應用時(shí)，一組光纖光柵被粘于橋梁復合筋的表面，或在梁的表面開(kāi)一個(gè)小凹槽，使光柵的裸纖芯部分嵌進(jìn)凹槽中 （便于防護）。如果需要更加完善的保護，則最好是在建造橋時(shí)把光柵埋進(jìn)復合筋。同時(shí)，為了修正溫度效應引起的應變，可使用應力和溫度分開(kāi)的傳感臂，并在每 一個(gè)梁上均安裝這兩個(gè)臂。

　　兩個(gè)具有相同中心波長(cháng)的光纖光柵代替法布里－珀羅干涉儀的反射鏡，形成全光纖法布里－珀羅干涉儀(FFPI)，利用低相干性使干涉的相位噪聲最小化，這一 方法實(shí)現了高靈敏度的動(dòng)態(tài)應變測量。用FFPI結合另外兩個(gè)FBG，其中一個(gè)光柵用來(lái)測應變，另一個(gè)被保護起來(lái)（免受應力影響），以測量和修正溫度效應， 同時(shí)實(shí)現了對三個(gè)量的測量：溫度、靜態(tài)應變、瞬時(shí)動(dòng)態(tài)應變。這種方法兼有干涉儀的相干性和光纖布拉格光柵傳感器的優(yōu)點(diǎn)，在5me的測量范圍內，實(shí)現了小于 1me的靜態(tài)應變測量精度、0.1℃的溫度靈敏度和小于1ne/(Hz)1/2的動(dòng)態(tài)應變靈敏度。