用于结构健康监测的新型光纤光栅传感技术
——光纤光栅传感器及系统

光纤光栅结构健康监测系统:

光纤光栅传感器结合先进的光纤通信技术具有超强的智能组网功能及系统综合控制功能，其应用范围非常广，在桥梁、建筑、海洋石油平台、油田及航空、大坝等工程都可以进行实时安全、温度及应变监测。

1．道路、桥梁、建筑及大坝中的应用

光纤光栅形变传感器提供了一种用于公路及桥梁、建筑、堤坝的健康监测的方法，而且也可以为监测交通工具的速度、载重及种类提供很重要的数据。

这种传感器的测量精度可以达到几个微应变级，具有很好的可靠性，可实现动态测量，采用分布式埋入可以实现对整个桥梁或建筑物的健康状况监测，从而防止工程及交通事故的发生。

2．在航空航天中的应用

在航空航天领域，飞行安全是人们十分关注的一个方面。光纤光栅传感器具有体积小，重量轻，灵敏度高等优点，将光纤光栅埋入飞行器或者发射塔结构 中，组成分布式智能传感网络，可以对飞行器及发射塔的内部机械性能及外部环境进行实时监测。波音公司（Boeing）进行了这方面的许多研究，并拥有许多 专利技术。

3．在海洋石油平台及油田等中的应用

 海洋石油平台是海上石油资源开发的重大基础性设施，是海上生产作业和生活的基础。海洋平台结构所处环境十分复杂、恶劣，在其影响下，海洋平台结构的抗力衰减非常明显，而传统的电传感器只能进行单点测量，而且易受海水侵蚀而失效。

传统的光纤传感器绝大部分都是“光强型”和“干涉型”的，前者的信息读取是测量光强大小，因此光源起伏、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，典型产品有基于OTDR技术的分布式光纤测温系统；后者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，使光纤光路的灵活和连接的方便等优点将大打折扣，而且它是一种“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，典型产品有加拿大FISO公司基于Fabry-Pérot干涉仪技术的光纤温度、应力变形测试仪。

光纤光栅传感器对电磁场及电流不敏感，而且可以构成分布传感网络，因此它可以应用于一些传统的电传感器所不能应用的领域，如油田、天然气田及煤田等，用于探测储量及地层状况等。

北京MOI公司所开发的光纤光栅（Fiber Bragg Grating）传感技术是上世纪末期开始发展并得到国内外广泛应用的一种世界上最先进的光纤数码传感技术。其实现原理是：直接在石英单模光纤上制作多个 光栅，封装保护后形成光纤传感链，可高精度地同时测量温度、应变、压力、位移等多种物理量。由于光纤传感链中传感器和传输线是合一的，均为石英单模光纤， 唯一的区别在于传感器是石英单模光纤中经过加工、处理、封装、保护的局部一段长度（一般为10mm左右）。所以，光纤光栅传感技术最主要的优点就在于现场 不供电，免受雷击损坏和电磁干扰；此外，由于光纤光栅温度在线监测仪采用并行光谱探测技术，系统中所有感温探头的单次同步扫描时间小于一秒钟，加之感温探 头的快速导热封装，使得开关柜及电缆接头温度监测系统能够在事故隐患产生时提前预警，有效避免事故的发生。

u       技术先进：不是简单地使用光纤直接进行量测，而是采用世界上最先进的光纤数码传感技术，在石英光纤上制作多个光栅，封装保护后形成光纤传感链，具有极高分辨率

u       产品可靠：在国内外各领域大量重大工程中成功应用，有众多用户使用报告

u       完善的产品认证：通过中国计量科学研究院、国家消防电子产品质量监督检验中心、中国电力科学院、石油和化学工业电气产品防爆质量监督检验中心等国家权威机构认证

u       全光型：光纤探测并直接进行信号传输，现场不需供电，不受电磁干扰，不受雷击

u       高精度：在所有类型光纤传感器中具有最高的测量精度，指标优于传统的测温传感器

u       事前预警：可在1秒钟内完成上万个监测点的数据采集，在设备过热、火灾发生前预警

u       无零漂：绝对量测量。光源衰减和线路损耗不影响测量精度，无需现场率定

u       布线简洁：支持线形、多级星形及混合方式组网，施工快捷。避免了光纤缠绕、迂回方式布线引入的污闪、爬电及高压侵入等隐患

u       不降低被监测设备的安全等级：感温探头和传输光纤高绝缘、高耐压、防爬电、阻燃

光纤光栅结构监测系统主要由光纤光栅系列传感器、光纤光栅解调仪以及通信光纤光缆组成。

其基本原理是利用光纤光栅传感器内部敏感元件——光纤光栅反射的光学频谱对温度、应变及压力、位移等物理性质的敏感特性，通过光纤光栅解调仪内 部各功能模块完成对光纤光栅传感器的输入光源激励/输出光学频谱分析和物理量换算，以数字方式给出各监测点的物理信息，并根据预先设定的报警条件设定值和 变化率实时给出预警和报警信号。　

【结构灾害自动报警】

光纤光栅结构健康监测系统自动对光纤光栅传感器设置区域进行实时温度巡检，检测现场被监测结构的异常波动，在可能发生的事过前发现并及时报警。       

【监测点定位】

光纤光栅结构健康监测系统的液晶显示屏以电子地图方式实时显示各监测点的编号和当前温度值以及实际地理位置。方面管理人员操作和维护。并可选GPS系统进行无线监测。

【状态查询】

各个监测点的监测信息都保存到光纤光栅解调仪的大容量储存器，系统按照时间将数据分为历史信息、实时信息，并且管理操作人员可以根据不同的时期动态调整监测点的实时状态监测时间间隔，满足实际要求。

管理操作人员可查看各监测点的物理参数变化曲线，为决策和维护提供数据支持。

【报警设定】

管理操作人员可对光纤光栅结构健康监测系统的报警触发条件进行设定，以适用不同季节气温条件下电力设备实际运行温度的差异。

【物理参数统计】

可实时给出设备物理参数对应监测点的位置编号和地理信息。

【线路巡检及故障定位】

可通过光纤光栅解调仪独有的“光纤光栅传感网络分析仪”功能，对光纤传输线路的损耗及断点位置进行准确定位，方便系统调试、维护及线路检修。

光纤光栅结构健康系统