光纤传感技术的最新进展——
光纤光栅传感技术
    姜德生
 

摘  要  光纤光栅传感器因其独特的优势在世界范围内受到广泛的重视，并已经取得了持续和快速的发展。本文就国内外光纤光栅传感器在民用工程结构、航空航天业、船舶航运业、石油化工业、电力工业、核工业、医学等方面的应用作了简单的综述，并介绍了我单位在这方面研究概况。
关键词  光纤光栅，传感器，应用。

1    引言
传统的光纤传感器绝大部分都是“光强型”和“干涉型”的。光强型传感器的信息读取是测量光强大小，这样光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素会影响测量精度。而干涉型传感器的信息读取是观察干涉条纹的变化，这就要求干涉条纹清晰，而干涉条纹清晰就要求两路干涉光的光强相等，这样光纤光路的灵活和连接的方便等优点将大打折扣，而且干涉型传感器是一种过程传感器，而不是状态传感器，必须要有一个固定参考点，这样就给光纤传感器的应用带来了难度。
光纤光栅传感器是一类新型光纤传感技术，除了具有普通光纤传感器的许多优点外，还有一些明显优于其它光纤传感器的地方，其中最重要的就是光纤光栅传感器的传感信号为波长调制，这一传感机制的好处在于：（1）测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的[color=000000]影响；（2）避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要；（3）能方便的使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布喇格光栅进行分布式测量。另外，光纤光栅很容易埋入材料中对其内部的应变和温度进行高分辨率和大范围地测量，光纤光栅传感器被认为是实现“光纤灵巧结构”的理想器件[3]。因此自1989年Morey首次报道将光纤光栅用作传感[4]以来，光纤光栅传感器受到了世界范围内的广泛重视，并且已经取得了持续和快速的发展，并在许多行业和军事上得到应用。

2    国外应用概况
① 民用工程结构中的应用
民用工程中的结构监测是应用光纤光栅传感器最活跃的领域,在美国和欧洲越来越多地关注民用基础结构的状态，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Beddington Trail大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一（1993年）[7]，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。
1999年夏，在美国新墨西哥Las 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[8]，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1970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，而且可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。1997年，在美国俄亥俄州的巴特勒县建造了一座全复合材料的桥梁，复合材料在制作过程中埋入了光纤光栅应变传感器，通过互联网可以有规律地监视桥梁的荷载响应和跟踪连接绳索的长期性能[9]。佛蒙特大学的一个研究小组用光纤光栅传感器远距离监测沃特伯里佛蒙特钢构架大桥，测量数据传输到中心计算机进行分析并发布到互联网上[10]。俄勒冈哥伦比亚河谷上的Horsetail fall桥是一座古老的桥梁，1914年建成，原为混凝土结构，当初设计没有考虑到现今的交通要求，后来采用纤维增强塑料复合材料对桥梁进行了加固，为了监视加固后的结构情况，28个光纤光栅传感器安装在两根复合材料加固的混凝土梁上，从1998开始至今，每个月用便携式光谱仪测量一次数据[11]。
德国德累斯顿附近A4高速公路上有一座跨度72米的预应力混凝土桥，德累斯顿大学的Meissner等人将布喇格光栅埋入桥的混凝土棱柱中，测量荷载下的基本线性响应，并且用常规的应变测量仪器作了对比试验，证实了光纤光栅传感器的应用可行性[12]。比利时根特的环城运河上建了一座147米长的预应力混凝土桥梁，桥的预应力梁在浇筑时埋进了18个光纤光栅传感器，利用光纤光栅传感器对桥梁的建设过程进行了监视，并将长期监测桥梁的结构情况[13]。瑞士应力分析实验室和美国海军研究实验室，在瑞士洛桑附近的Vaux箱形梁高架桥的建造过程中，使用了三十二个光纤光栅传感器对箱形梁被推拉时的准静态应变进行了监测，三十二个光纤光栅分布于箱形梁的不同位置、用扫描法-泊系统进行信号解调[14]。另外瑞士温特图尔的Storck桥也是最早使用光纤光栅传感器的桥梁之一[15]，桥的碳纤增强聚合物缆中安装了光纤光栅传感器对桥梁进行长期监测。加拿大温尼伯湖附近的Taylor大桥也用了光纤光栅传感器进行监测[7]。
为了获得受损桥梁应变分布的更详细信息，美国海军研究实验室在一座 比例桥梁模型中埋入了60个光纤光栅的传感系统，对模型进行了破坏测试[16]。这套系统的典型响应时间是0.1秒，非常适合静态应变测量，但不适于动态应变测量，因为受到了用于波长漂移测量的可调法-泊腔滤波器扫描速度的限制。
美国联邦公路局研究发展计划[19]中的一部分就是光纤传感器的应用研究。弗吉尼亚Turner-Fairbank公路研究中心和美国海军研究实验室合作研制出光纤光栅结构监测系统，这种系统正被安装在几座桥梁的增强混凝土构件中，对应变和车辆载重进行监测。另外他们还在新墨西哥州立大学设计、制作和使用了一套32个光纤光栅的传感系统，制定了一套土木工程师在现有桥梁上安装光纤光栅传感器的初级指南[8，20]。美国联邦公路局光纤研究项目的另一个内容是开发用于道路和场地测量的应变仪[21]，这些地方很难用常规仪器进行应变监测。目前已经用光纤光栅传感器替代常规的应变片传感元件制作了几种仪器。仪器已经在有重型卡车的道路中进行了评估。
在地下工程和采矿业中，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 Potsdam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—FBX地脚螺栓[22]，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地震成像系统[23]，并在瑞士一个地下煤矿坑道中进行了现场试验。新的光纤光栅传感器能被用作地震接收器，测量实际岩块中非常小的应变振动。
在欧洲的STABILOS计划中，一种基于宽带掺铒光纤光源和可调法—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[24]；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[25]。还有一个欧洲的COSMUS计划，于1996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，监控一毫米以内的地下运动，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[26]，对大坝进行安全监测。
② 航空航天业中的应用
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，所需要使用的传感器很容易超过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一根光纤，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[31]。
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—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、缩短检查时间、降低维护成本，从而改善其性能[32]。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[29]，以便于健康和使用的监测、结构的损伤探测、设计信息的搜集、制造辅助控制、智能控制以及结构尺寸监测。
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，他们在航天飞机X-33上安装了测量应变和温度的光纤光栅传感网络[33]，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