一、概述

生产安全和运营安全一直是各行业各级部门和企业高度重视的问题。光纤光栅传感器是目前国际上新一代光纤传感器,具有本质防爆、抗强电磁干扰、防雷击、高精度、重量轻、体积小,能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个光纤光栅分布式测量等优点,特别适合电力、石油、化工、路桥、大坝、隧道、消防等行业中的在线安全监测。

光纤光栅温度/应变监测系统包括光纤光栅传感器和光纤光栅信号解调仪,具有精度高、可靠性高、抗电磁干扰、易于成网形成准分布式监测网络以及与其他类传感系统兼容性强等优点。系统采用光纤光栅作为温度传感元件;系统也采用光纤光栅作为结构安全和状态健康监测传感器,埋入式应变传感器主要埋设在水工建筑物或其他混凝土建筑物内以便长期观测结构内部的应变量变化,表面应变传感器主要用于测量混凝土、钢结构等的表面应变和裂缝变化监测,也可用于路桥、大型建筑、钢结构等的振动检测。光纤光栅信号解调仪用于对光纤光栅传感器的信号检测和数据处理,可实现多个通道同步扫描。系统可提供实时温度监测数据结果,达到或超过设定的警戒值时系统将触发报警同时把报警信号输出,系统设有数据通信接口可实现局域网和远程联网通信及操控,系统软件具有存储、打印模块,具有历史报表绘制功能。

二、关键技术

A、光纤光栅敏化与封装技术

由于裸的光纤光栅直径只有125um,在恶劣的工程环境中容易损伤,只有对其进行保护性的封装(如埋入村底材料中),才能赋予光纾光栅更稳定的性能, 延长其寿命,传感器才能交付使用。同时,通过设计封装的结构,选用不同的封装材料,可以实现温度补偿、应力和温度的增敏等功能,这类“功能型封装”的研究正逐渐受到重视。

B、光纤光栅传感信号解调技术

信号解调是光纤光栅传感系统实用化所面临的最大难题.其核心问题在于设计高分辨率、低成本的波长检测方案。对此,有两个主要的解决途径:一是提高传感光栅对待测量的波长响应灵敏度,这需从特殊光栅传感头的制作入手;二是改进波长编码信号的解调方法,综台考虑分辨率与成本。目前信号解调方法主要有匹配光纤光栅滤波法、边缘滤波法、非平衡扫描迈克尔逊干涉法、可调谐F-P滤波法、可调谐窄带光源法以及衍射法。

C、光纤光栅传感复用和网络技术

目前,单点和单参数的传感显然已经不能满足人们的要求,大规模、长距离及分布式的传感技术己成为研究热点。在设计光纤光栅传感系统时,应该尽量做到:仅仅通过一两根光纤就尽可能多地寻址传感器、最有效地利用光能量、减小串扰、保证每个传感器的性能等。由于光纤光栅可以灵活地串并接,并且能够分别对压力、温度和振动等多种参量实时感测,因此,可以借鉴光复用技术将波分复用(WDM)、时分复用(TDM)和空分复用(SDM)技术与先进的信号处理机制及无线传输技术等技术结合起来,构建多维智能型传感系统,应用于大型结构的健康监测当中。

三、应用领域

    Ø  应用于电力、冶金、石化等行业的密闭高压开关柜、输配动力电缆以及中控室的温度在线安全监测和事故点定位

Ø  应用于水电、大坝等状态参数如结构变形、裂缝和渗漏的在线安全监测

Ø  隧道、路桥、土木工程、大型建筑的安全监测和报警

Ø  炼油/储油/管道的安全监测、泄漏检测以及故障点检测

Ø  航空航天、船舶、生物医学、核工业以及军事武器装备等领域的应力监测

四、综述

光纤光栅的出现,深刻地影响着光纤信息传输的设计及光子器件的研制,它使许多复杂的全光纤通信、多点分布式传感及其网络监测成为可能,极大地拓宽了光纤技术的应用范围。而基丁光纤光栅的传感器的设计及应用是一个方兴未艾的领域,有着诸多需要深入研究的课题以及非常广阔的发展前景。可以预料,随着光纤光栅传感头敏化与封装技术的改进、传感信号解调技术的优化以及复用和网络规模的进一步扩大。必将大大地推动光纤光栅传感器实用化的进程。


光纤光栅温度/应变在线安全监测系统
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