光纖傳感的最新進展及未來發(fā)展展望

在過去60年中，光纖傳感（FOS）經(jīng)常被眾多的行業(yè)用來增強和測試建筑、車輛、醫(yī)療設(shè)備等的完整性、效率、安全性和耐用性。而過去5年中光纖傳感技術(shù)的發(fā)展使得它能夠?qū)崿F(xiàn)航空、能源甚至醫(yī)療等應(yīng)用中空前水平的數(shù)據(jù)和檢測密度。這將有助于工程師解決他們目前面臨的問題，并通過創(chuàng)新改進他們的設(shè)計。今天光纖技術(shù)有著大量的實用意義，并且未來應(yīng)用的可能性也非常廣泛。

本文將討論內(nèi)在光纖傳感技術(shù)的最新進展，包括3D形狀檢測和光頻域反射計。另外還將討論今天的工程師如何利用好這些技術(shù)，并對未來發(fā)展進行了展望。

歷史簡介

第一款光纖傳感器是在20世紀(jì)60年代獲得專利許可的，基于的是自由空間光學(xué)。大約10年后，研究人員開發(fā)出了首款內(nèi)在（intrinsic）光纖傳感器。這種新技術(shù)可以比自由空間傳感器提供更明顯的工程效益，可用來獲得可靠的機械測量結(jié)果。光纖的使用允許信號在可部署的介質(zhì)中傳送，而自由空間的光需要依賴視距傳播，無法部署于運營建筑或車輛中。于20世紀(jì)80年代正式商用化的光纖陀螺儀是光纖傳感器的最早應(yīng)用之一，現(xiàn)在已經(jīng)成為穩(wěn)定系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件。20世紀(jì)90年代初，民用行業(yè)開始在多種應(yīng)用中實現(xiàn)各種類型的光纖傳感器，用于測量溫度、應(yīng)變、壓力等參數(shù)。

工程師還開始做了基于光纖布拉格光柵（FBG）的傳感器試驗。光纖光柵傳感器憑借其復(fù)用和準(zhǔn)分布式功能，與現(xiàn)有的光纖傳感技術(shù)相比具有獨特的優(yōu)勢。到2000年，民用行業(yè)中就已經(jīng)出現(xiàn)許多常見應(yīng)用，包括監(jiān)視歷史建筑中關(guān)鍵部件的變形、監(jiān)視橋梁中關(guān)鍵點的應(yīng)變以及觀察混凝土凝固時的行為等。這些應(yīng)用中大多數(shù)使用各種干涉儀傳感器，其中大部分不能復(fù)用。

光纖光柵傳感器在很大程度上替代了民用、石油和天然氣以及航空應(yīng)用中的這些技術(shù)。舉例來說，光纖光柵傳感器就經(jīng)常在石油和天然氣領(lǐng)域中用來監(jiān)視關(guān)鍵鉆井工具上的壓力和其它參數(shù)。同樣，航空業(yè)也一直在將光纖光柵傳感器用于建筑健康監(jiān)視、負(fù)載測試和疲勞測試。

21世紀(jì)00年代初，另外一種光纖傳感技術(shù)——分布式傳感出現(xiàn)了，并在石油和天然氣行業(yè)中展示出非常大的潛力。這些技術(shù)主要用來測量沿著整條光纖的溫度，幫助改進各種鉆井工藝，包括泄漏檢測、注入過程監(jiān)視以及流量圖創(chuàng)建。雖然它們提供分布式測量，但這些技術(shù)具有很慢的刷新率（在兩次采集之間的間隔至少好幾秒），空間分辨率在米數(shù)量級。

光纖傳感的最新進展

內(nèi)在和外在傳感器是光纖傳感器的兩大類。外在傳感器使用光纖將光線導(dǎo)入檢測區(qū)域，光在這個區(qū)域離開波導(dǎo)，并在另一種介質(zhì)中被調(diào)制。而對內(nèi)在傳感器來說，光一直保持在波導(dǎo)內(nèi)，因此它測量的是光沿著光纖傳播時的光信號效應(yīng)。

光纖本身就是傳感器的內(nèi)在光纖傳感器技術(shù)近年來得到了很大的發(fā)展。內(nèi)在傳感器有兩種不同的技術(shù)：散射或光纖光柵。散射技術(shù)可以沿著光纖提供完全分布式的數(shù)據(jù)點，而光纖光柵技術(shù)既可以實現(xiàn)少量的檢測點，也可以實現(xiàn)準(zhǔn)分布式的數(shù)據(jù)點。通過在整條光纖上放置光纖光柵，工程師可以分析反射光的變化，并通過解調(diào)這些信息提供精確的測量。散射技術(shù)完全不使用光纖光柵，而是利用光纖內(nèi)自然發(fā)生的隨機不完美信號獲得讀數(shù)。由于光纖光柵通常都被制造成精良的傳感器，因此它們具有比散射技術(shù)高得多的信噪比。

應(yīng)變計、熱電偶和液位傳感器只關(guān)心一些關(guān)鍵點，而分布式光纖傳感器卻可以提供關(guān)鍵點之間的更多信息，因此可以幫助工程師實現(xiàn)對整個應(yīng)變域、溫度分布和其它參數(shù)的精確測量。散射和光纖光柵使用不同的解調(diào)技術(shù)。散射技術(shù)通過解調(diào)自然發(fā)生的拉曼、布里淵或瑞利后向散射信號獲得有用的數(shù)據(jù)。光纖光柵技術(shù)最常用的解調(diào)技術(shù)是波分復(fù)用（WDM）。然而在某些場合光頻域反射計（OFDR）具有比波分復(fù)用更大的優(yōu)勢。

波分復(fù)用可以覆蓋很長的距離并快速獲取數(shù)據(jù)，而且這種技術(shù)支持一條光纖上配置多個光柵；然而，每增加一個光柵都會顯著降低數(shù)據(jù)刷新率。波分復(fù)用測量的典型參數(shù)包括應(yīng)變和溫度，雖然在某些場合它也可以連接單個加速度計或壓力傳感器。另外，波分復(fù)用只允許用戶監(jiān)視關(guān)鍵點，無法監(jiān)視整個信息域?；谶@個理由，要求很高采集速度和只需少量數(shù)據(jù)點的應(yīng)用，比如監(jiān)視汽車碰撞測試中的部件，就非常適合使用波分復(fù)用技術(shù)。

拉曼、布里淵或瑞利散射技術(shù)可以覆蓋數(shù)公里的距離，并提供完整的分布式信息。與波分復(fù)用不同，散射技術(shù)是完全分布式的，這意味著它們可以獲得整條光纖上的數(shù)據(jù)，而不只是幾個關(guān)鍵點。雖然瑞利散射可以獲得應(yīng)變數(shù)據(jù)，但市場上的許多系統(tǒng)只能測量溫度或聲信號，這些系統(tǒng)被稱為分布式溫度傳感系統(tǒng)（DTS）或分布式聲檢測系統(tǒng)（DAS）。散射技術(shù)是必須覆蓋好幾公里但不要求高精度高刷新率的應(yīng)用的理想之選。舉例來說，監(jiān)視管道以防止被破壞的應(yīng)用只要求米數(shù)量級的空間分辨率，并且不要求很高的數(shù)據(jù)采集速度。

光頻域反射計（OFDR）是經(jīng)常與光纖光柵傳感器一起使用的另外一種不同解調(diào)技術(shù)，光柵被放置在兩端，可實現(xiàn)完全分布式的傳感光纖。OFDR擁有比散射技術(shù)高得多的空間分辨率，而光柵數(shù)量也比波分復(fù)用多得多。OFDR具有的一種獨特優(yōu)勢是即使增加傳感器數(shù)量也能保持很高的數(shù)據(jù)刷新率。高空間分辨率、快速刷新率、很多的傳感器數(shù)量以及完全分布式特性使得OFDR已經(jīng)成為目前市場上最復(fù)雜的傳感技術(shù)之一。與散射技術(shù)和波分復(fù)用技術(shù)不同，OFDR的一些應(yīng)用可以將多種技術(shù)整合成單一的強大平臺。除了檢測應(yīng)變和溫度外，OFDR技術(shù)還能判斷2D變形、3D形狀、液位、壓力、工作負(fù)荷和磁場。由于平臺的通用性，工程師可以用一個系統(tǒng)解決多個問題，從而使得這個行業(yè)更有效率和效益。

光頻域反射計的實際使用案例

航空航天

應(yīng)力和應(yīng)變是判斷飛行器壽命和操作安全的主要參數(shù)。航空公司和航天機構(gòu)一直在努力尋找更安全的設(shè)備和工藝。然而，現(xiàn)有技術(shù)使得監(jiān)視并保持飛機和航天器結(jié)構(gòu)安全的難度和成本都很高。另外，現(xiàn)有技術(shù)不能明確地指示一架飛機或航天器何時壽命終止。

由于可以在頭發(fā)絲細(xì)的光纖中包含成千個傳感器，光纖傳感器解決方案可以提供詳細(xì)的飛行器健康信息。例如通過在航天領(lǐng)域使用光纖傳感器，工程師可以：

●盡量減少飛行器的故障時間，精準(zhǔn)調(diào)整維修保養(yǎng)計劃

●通過本質(zhì)安全的燃油量測量改進燃油消耗

●監(jiān)視翅膀和其它易變形部件的形狀

●判斷飛行器何時達(dá)到終了壽命

●理解復(fù)雜的機身對飛行條件的響應(yīng)

●在飛行過程中向控制系統(tǒng)提供反饋數(shù)據(jù)

通過使用光纖傳感器技術(shù)，工程師可以通過連續(xù)監(jiān)視應(yīng)變、溫度、應(yīng)力、負(fù)載、機外變形和3D形狀來測試、監(jiān)視和分析材料結(jié)構(gòu)的完整性并捕獲飛行器部件的位置反饋數(shù)據(jù)。工程師可以借助這些數(shù)據(jù)提高飛行器的安全性、延長使用壽命、減少維修時間并增強飛行效率——所有這些成果最終都將反映為成本的下降。

醫(yī)療

光學(xué)形狀傳感器的小直徑和化學(xué)惰性使得光纖傳感器技術(shù)成為醫(yī)療應(yīng)用的理想選擇。這些特性允許光纖傳感器與現(xiàn)有的微創(chuàng)技術(shù)結(jié)合在一起。利用光纖傳感器技術(shù)可以向外科醫(yī)生提供有關(guān)整個儀器長度的位置信息，不需要使用x射線或超聲波。3D數(shù)據(jù)可以實時繪制出來，并顯示在監(jiān)視器上，用于展示儀器的位置。這種圖像還可以與身體內(nèi)已知的位置坐標(biāo)進行比較，幫助內(nèi)科醫(yī)生將內(nèi)窺鏡尖端發(fā)送的參考視頻與儀器其余部分如何放置及位于何處結(jié)合起來。這種改良的位置感知有助于實時的儀器引導(dǎo)，最大限度地減少向病人身體內(nèi)注入外來材料，并遠(yuǎn)離輻射。

在醫(yī)療行業(yè)內(nèi)使用光纖傳感器的好處包括：

●改進MRI系統(tǒng)中的成像技術(shù)

●輔助血管操作和檢測，以識別血管堵塞的嚴(yán)重性

●在微創(chuàng)手術(shù)和探測過程中判斷目標(biāo)形狀

●實現(xiàn)更高分辨率的儀器跟蹤，同時盡量降低與傳統(tǒng)成像方法相關(guān)的復(fù)雜性

●盡量減少向身體內(nèi)注入外來材料

能源

光纖傳感器也是海底立管監(jiān)視應(yīng)用的理想之選，因為它能提前收集實時的張力、扭矩和形狀信息。海底立管設(shè)計可以承受工程師從未見過的某些最復(fù)雜負(fù)荷和惡劣環(huán)境。立管的動態(tài)特性、它的部件及其環(huán)境使得它容易受到結(jié)構(gòu)性應(yīng)力、疲勞應(yīng)力、材料磨損、機械性能劣化、沖擊和環(huán)境引起的負(fù)荷。由于這些和其它因素，傳感器和使用儀器測量立管對負(fù)荷的結(jié)構(gòu)性響應(yīng)的能力就顯得非常重要。

通過在各種能源應(yīng)用中使用光纖傳感器可以：

●最大限度地提高立管和鉆井平臺的完整性

●根據(jù)變形和旋轉(zhuǎn)信息向風(fēng)力機葉片提供控制系統(tǒng)反饋

●監(jiān)視風(fēng)力機葉片的結(jié)構(gòu)完整性

●檢測核電站部件結(jié)構(gòu)性的健康和校準(zhǔn)信息

光纖傳感器的未來

光纖傳感器的價格及尺寸是光纖傳感技術(shù)的普及目前面臨的兩大障礙。一旦這些問題得到解決，我們就有望看到在新的行業(yè)中更多的使用案例。

就拿時尚行業(yè)來說。未來人們可以將傳感器插入服裝的某塊縫合處，提供有關(guān)個人的體形、身高、重量分布等所有數(shù)據(jù)和信息。這些數(shù)據(jù)再用來為該穿戴者設(shè)計專門的服裝。這將徹底沖擊時尚業(yè)，根本改變服裝設(shè)計生產(chǎn)的方法。想象一下在網(wǎng)上購物，衣服到你手中時已經(jīng)經(jīng)過剪裁完美地適合你的身材，簡直太酷了。

讓我們再看看汽車行業(yè)。通過在整個汽車結(jié)構(gòu)件中插入光纖傳感器，我們可以接收到有關(guān)汽車如何響應(yīng)周邊環(huán)境變化的實時反饋，或監(jiān)視某個汽車部件何時需要更換。這些工作都可以實時完成，并在緊急情況可能發(fā)生之前提醒駕乘人員。

在建筑領(lǐng)域，光纖可以放進樓宇或道路中，用于監(jiān)視和判斷建筑材料在長時間使用過程中受環(huán)境影響的程度，并在問題發(fā)生之前及早檢測出來。

本文小結(jié)

內(nèi)在光纖傳感技術(shù)在空間分辨率、刷新率和檢測長度方面的優(yōu)勢已經(jīng)幫助提升了許多行業(yè)解決問題的能力。光纖傳感器收集的數(shù)據(jù)和信息不僅有助于工程師解決當(dāng)前的問題，還有助于未來的推陳出新。隨著這種技術(shù)的不斷發(fā)展，諸如航天、能源和醫(yī)療等領(lǐng)域的設(shè)計和應(yīng)用也會越來越先進。隨著工程師通過創(chuàng)新不斷地挖掘技術(shù)的潛力，傳感檢測系統(tǒng)還能夠解決萌芽中的問題。光纖傳感器具有很大的靈活性，足以實現(xiàn)為一種平臺，然后作為關(guān)鍵系統(tǒng)的一個組件集成進設(shè)計中，用于實現(xiàn)必要的實時監(jiān)視功能，或單獨作為先進的測試套件使用。