用於結構健康監測的新型光纖光柵傳感技術
——光纖光柵傳感器及系統

光纖光柵結構健康監測系統:

光纖光柵傳感器結合先進的光纖通信技術具有超強的智能組網功能及系統綜合控制功能，其應用範圍非常廣，在橋梁、建築、海洋石油平台、油田及航空、大壩等工程都可以進行實時安全、溫度及應變監測。

1．道路、橋梁、建築及大壩中的應用

光纖光柵形變傳感器提供了一種用於公路及橋梁、建築、堤壩的健康監測的方法，而且也可以為監測交通工具的速度、載重及種類提供很重要的數據。

這種傳感器的測量精度可以達到幾個微應變級，具有很好的可靠性，可實現動態測量，採用分布式埋入可以實現對整個橋梁或建築物的健康狀況監測，從而防止工程及交通事故的發生。

2．在航空航天中的應用

在航空航天領域，飛行安全是人們十分關注的一個方面。光纖光柵傳感器具有體積小，重量輕，靈敏度高等優點，將光纖光柵埋入飛行器或者發射塔結構 中，組成分布式智能傳感網絡，可以對飛行器及發射塔的內部機械性能及外部環境進行實時監測。波音公司（Boeing）進行了這方面的許多研究，並擁有許多 專利技術。

3．在海洋石油平台及油田等中的應用

 海洋石油平台是海上石油資源開發的重大基礎性設施，是海上生產作業和生活的基礎。海洋平台結構所處環境十分複雜、惡劣，在其影響下，海洋平台結構的抗力衰減非常明顯，而傳統的電傳感器只能進行單點測量，而且易受海水侵蝕而失效。

傳統的光纖傳感器絕大部分都是“光強型”和“干涉型”的，前者的信息讀取是測量光強大小，因此光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測器老化等 因素會影響測量精度，典型產品有基於OTDR技術的分布式光纖測溫系統；後者的信息讀取是觀察干涉條紋的變化，這就要求干涉條紋清晰，而干涉條紋清晰就要 求兩路干涉光的光強相等，使光纖光路的靈活和連接的方便等優點將大打折扣，而且它是一種“過程傳感器”而不是“狀態傳感器”必須要有一個“固定參考點”， 這樣就給光纖傳感器的應用帶來了難度，典型產品有加拿大FISO公司基於Fabry-Pérot干涉儀技術的光纖溫度、應力變形測試儀。

光纖光柵傳感器對電磁場及電流不敏感，而且可以構成分布傳感網絡，因此它可以應用於一些傳統的電傳感器所不能應用的領域，如油田、天然氣田及煤田等，用於探測儲量及地層狀況等。

北京MOI公司所開發的光纖光柵（Fiber Bragg Grating）傳感技術是上世紀末期開始發展並得到國內外廣氾應用的一種世界上最先進的光纖數碼傳感技術。其實現原理是：直接在石英單模光纖上製作多個 光柵，封裝保護后形成光纖傳感鏈，可高精度地同時測量溫度、應變、壓力、位移等多種物理量。由於光纖傳感鏈中傳感器和傳輸線是合一的，均為石英單模光纖， 唯一的區別在於傳感器是石英單模光纖中經過加工、處理、封裝、保護的局部一段長度（一般為10mm左右）。所以，光纖光柵傳感技術最主要的優點就在於現場 不供電，免受雷擊損坏和電磁干擾；此外，由於光纖光柵溫度在線監測儀採用並行光譜探測技術，系統中所有感溫探頭的單次同步掃描時間小於一秒鐘，加之感溫探 頭的快速導熱封裝，使得開關櫃及電纜接頭溫度監測系統能夠在事故隱患產生時提前預警，有效避免事故的發生。

u       技術先進：不是簡單地使用光纖直接進行量測，而是採用世界上最先進的光纖數碼傳感技術，在石英光纖上製作多個光柵，封裝保護后形成光纖傳感鏈，具有極高分辨率

u       產品可靠：在國內外各領域大量重大工程中成功應用，有眾多用戶使用報告

u       完善的產品認証：通過中國計量科學研究院、國家消防電子產品質量監督檢驗中心、中國電力科學院、石油和化學工業電氣產品防爆質量監督檢驗中心等國家權威機構認証

u       全光型：光纖探測並直接進行信號傳輸，現場不需供電，不受電磁干擾，不受雷擊

u       高精度：在所有類型光纖傳感器中具有最高的測量精度，指標優于傳統的測溫傳感器

u       事前預警：可在1秒鐘內完成上萬個監測點的數據採集，在設備過熱、火災發生前預警

u       無零漂：絕對量測量。光源衰減和線路損耗不影響測量精度，無需現場率定

u       布線簡潔：支持線形、多級星形及混合方式組網，施工快捷。避免了光纖纏繞、迂迴方式布線引入的污閃、爬電及高壓侵入等隱患

u       不降低被監測設備的安全等級：感溫探頭和傳輸光纖高絕緣、高耐壓、防爬電、阻燃

光纖光柵結構監測系統主要由光纖光柵系列傳感器、光纖光柵解調儀以及通信光纖光纜組成。

其基本原理是利用光纖光柵傳感器內部敏感元件——光纖光柵反射的光學頻譜對溫度、應變及壓力、位移等物理性質的敏感特性，通過光纖光柵解調儀內 部各功能模塊完成對光纖光柵傳感器的輸入光源激勵/輸出光學頻譜分析和物理量換算，以數字方式給出各監測點的物理信息，並根據預先設定的報警條件設定值和 變化率實時給出預警和報警信號。　

【結構災害自動報警】

光纖光柵結構健康監測系統自動對光纖光柵傳感器設置區域進行實時溫度巡檢，檢測現場被監測結構的異常波動，在可能發生的事過前發現並及時報警。       

【監測點定位】

光纖光柵結構健康監測系統的液晶顯示屏以電子地圖方式實時顯示各監測點的編號和當前溫度值以及實際地理位置。方面管理人員操作和維護。並可選GPS系統進行無線監測。

【狀態查詢】

各個監測點的監測信息都保存到光纖光柵解調儀的大容量儲存器，系統按照時間將數據分為曆史信息、實時信息，並且管理操作人員可以根據不同的時期動態調整監測點的實時狀態監測時間間隔，滿足實際要求。

管理操作人員可查看各監測點的物理參數變化曲線，為決策和維護提供數據支持。

【報警設定】

管理操作人員可對光纖光柵結構健康監測系統的報警觸發條件進行設定，以適用不同季節氣溫條件下電力設備實際運行溫度的差異。

【物理參數統計】

可實時給出設備物理參數對應監測點的位置編號和地理信息。

【線路巡檢及故障定位】

可通過光纖光柵解調儀獨有的“光纖光柵傳感網絡分析儀”功能，對光纖傳輸線路的損耗及斷點位置進行準確定位，方便系統調試、維護及線路檢修。

光纖光柵結構健康系統