用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的新型光纖光柵傳感技術(shù)
光纖光柵結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng):
光纖光柵傳感器結(jié)合先進(jìn)的光纖通信技術(shù)具有超強(qiáng)的智能組網(wǎng)功能及系統(tǒng)綜合控制功能，其應(yīng)用范圍非常廣，在橋梁、建筑、海洋石油平臺、油田及航空、大壩等工程都可以進(jìn)行實(shí)時安全、溫度及應(yīng)變監(jiān)測。
1．道路、橋梁、建筑及大壩中的應(yīng)用
光纖光柵形變傳感器提供了一種用于公路及橋梁、建筑、堤壩的健康監(jiān)測的方法，而且也可以為監(jiān)測交通工具的速度、載重及種類提供很重要的數(shù)據(jù)。
這種傳感器的測量精度可以達(dá)到幾個微應(yīng)變級，具有很好的可靠性，可實(shí)現(xiàn)動態(tài)測量，采用分布式埋入可以實(shí)現(xiàn)對整個橋梁或建筑物的健康狀況監(jiān)測，從而防止工程及交通事故的發(fā)生。
2．在航空航天中的應(yīng)用
在航空航天領(lǐng)域，飛行安全是人們十分關(guān)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(yōu)點(diǎn)，將光纖光柵埋入飛行器或者發(fā)射塔結(jié)構(gòu)中，組成分布式智能傳感網(wǎng)絡(luò)，可以對飛行器及發(fā)射塔的內(nèi)部機(jī)械性能及外部環(huán)境進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。波音公司（Boeing）進(jìn)行了這方面的許多研究，并擁有許多專利技術(shù)。
3．在海洋石油平臺及油田等中的應(yīng)用
海洋石油平臺是海上石油資源開發(fā)的重大基礎(chǔ)性設(shè)施，是海上生產(chǎn)作業(yè)和生活的基礎(chǔ)。海洋平臺結(jié)構(gòu)所處環(huán)境十分復(fù)雜、惡劣，在其影響下，海洋平臺結(jié)構(gòu)的抗力衰減非常明顯，而傳統(tǒng)的電傳感器只能進(jìn)行單點(diǎn)測量，而且易受海水侵蝕而失效。
傳統(tǒng)的光纖傳感器絕大部分都是“光強(qiáng)型”和“干涉型”的，前者的信息讀取是測量光強(qiáng)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(chǎn)品有基于OTDR技術(shù)的分布式光纖測溫系統(tǒng)；后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(qiáng)相等，使光纖光路的靈活和連接的方便等優(yōu)點(diǎn)將大打折扣，而且它是一種“過程傳感器”而不是“狀態(tài)傳感器”必須要有一個“固定參考點(diǎn)”，這樣就給光纖傳感器的應(yīng)用帶來了難度，典型產(chǎn)品有加拿大FISO公司基于Fabry-Pérot干涉儀技術(shù)的光纖溫度、應(yīng)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(gòu)成分布傳感網(wǎng)絡(luò)，因此它可以應(yīng)用于一些傳統(tǒng)的電傳感器所不能應(yīng)用的領(lǐng)域，如油田、天然氣田及煤田等，用于探測儲量及地層狀況等。
北京品傲光電科技有限公司所開發(fā)的光纖光柵（Fiber Bragg Grating）傳感技術(shù)是上世紀(jì)末期開始發(fā)展并得到國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的一種世界上最先進(jìn)的光纖數(shù)碼傳感技術(shù)。其實(shí)現(xiàn)原理是：直接在石英單模光纖上制作多個光柵，封裝保護(hù)后形成光纖傳感鏈，可高精度地同時測量溫度、應(yīng)變、壓力、位移等多種物理量。由于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(qū)別在于傳感器是石英單模光纖中經(jīng)過加工、處理、封裝、保護(hù)的局部一段長度（一般為10mm左右）。所以，光纖光柵傳感技術(shù)最主要的優(yōu)點(diǎn)就在于現(xiàn)場不供電，免受雷擊損壞和電磁干擾；此外，由于光纖光柵溫度在線監(jiān)測儀采用并行光譜探測技術(shù)，系統(tǒng)中所有感溫探頭的單次同步掃描時間小于一秒鐘，加之感溫探頭的快速導(dǎo)熱封裝，使得開關(guān)柜及電纜接頭溫度監(jiān)測系統(tǒng)能夠在事故隱患產(chǎn)生時提前預(yù)警，有效避免事故的發(fā)生。
u 技術(shù)先進(jìn)：不是簡單地使用光纖直接進(jìn)行量測，而是采用世界上最先進(jìn)的光纖數(shù)碼傳感技術(shù)，在石英光纖上制作多個光柵，封裝保護(hù)后形成光纖傳感鏈，具有極高分辨率
u 產(chǎn)品可靠：在國內(nèi)外各領(lǐng)域大量重大工程中成功應(yīng)用，有眾多用戶使用報(bào)告
u 完善的產(chǎn)品認(rèn)證：通過中國計(jì)量科學(xué)研究院、國家消防電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心、中國電力科學(xué)院、石油和化學(xué)工業(yè)電氣產(chǎn)品防爆質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心等國家權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證
u 全光型：光纖探測并直接進(jìn)行信號傳輸，現(xiàn)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(biāo)優(yōu)于傳統(tǒng)的測溫傳感器
u 事前預(yù)警：可在1秒鐘內(nèi)完成上萬個監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，在設(shè)備過熱、火災(zāi)發(fā)生前預(yù)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(xiàn)場率定
u 布線簡潔：支持線形、多級星形及混合方式組網(wǎng)，施工快捷。避免了光纖纏繞、迂回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(jiān)測設(shè)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(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)主要由光纖光柵系列傳感器、光纖光柵解調(diào)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(nèi)部敏感元件——光纖光柵反射的光學(xué)頻譜對溫度、應(yīng)變及壓力、位移等物理性質(zhì)的敏感特性，通過光纖光柵解調(diào)儀內(nèi)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(xué)頻譜分析和物理量換算，以數(shù)字方式給出各監(jiān)測點(diǎn)的物理信息，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的報(bào)警條件設(shè)定值和變化率實(shí)時給出預(yù)警和報(bào)警信號。
【結(jié)構(gòu)災(zāi)害自動報(bào)警】
光纖光柵結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)自動對光纖光柵傳感器設(shè)置區(qū)域進(jìn)行實(shí)時溫度巡檢，檢測現(xiàn)場被監(jiān)測結(jié)構(gòu)的異常波動，在可能發(fā)生的事過前發(fā)現(xiàn)并及時報(bào)警。
【監(jiān)測點(diǎn)定位】
光纖光柵結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的液晶顯示屏以電子地圖方式實(shí)時顯示各監(jiān)測點(diǎn)的編號和當(dāng)前溫度值以及實(shí)際地理位置。方面管理人員操作和維護(hù)。并可選GPS系統(tǒng)進(jìn)行無線監(jiān)測。
【狀態(tài)查詢】
各個監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測信息都保存到光纖光柵解調(diào)儀的大容量儲存器，系統(tǒng)按照時間將數(shù)據(jù)分為歷史信息、實(shí)時信息，并且管理操作人員可以根據(jù)不同的時期動態(tài)調(diào)整監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時狀態(tài)監(jiān)測時間間隔，滿足實(shí)際要求。
管理操作人員可查看各監(jiān)測點(diǎn)的物理參數(shù)變化曲線，為決策和維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。
【報(bào)警設(shè)定】
管理操作人員可對光纖光柵結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的報(bào)警觸發(fā)條件進(jìn)行設(shè)定，以適用不同季節(jié)氣溫條件下電力設(shè)備實(shí)際運(yùn)行溫度的差異。
【物理參數(shù)統(tǒng)計(jì)】
可實(shí)時給出設(shè)備物理參數(shù)對應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)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(diào)儀獨(dú)有的“光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀”功能，對光纖傳輸線路的損耗及斷點(diǎn)位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，方便系統(tǒng)調(diào)試、維護(hù)及線路檢修。
光纖光柵結(jié)構(gòu)健康系統(tǒng)
光纖光柵傳感器結(jié)合先進(jìn)的光纖通信技術(shù)具有超強(qiáng)的智能組網(wǎng)功能及系統(tǒng)綜合控制功能，其應(yīng)用范圍非常廣，在橋梁、建筑、海洋石油平臺、油田及航空、大壩等工程都可以進(jìn)行實(shí)時安全、溫度及應(yīng)變監(jiān)測。
1．道路、橋梁、建筑及大壩中的應(yīng)用
光纖光柵形變傳感器提供了一種用于公路及橋梁、建筑、堤壩的健康監(jiān)測的方法，而且也可以為監(jiān)測交通工具的速度、載重及種類提供很重要的數(shù)據(jù)。
這種傳感器的測量精度可以達(dá)到幾個微應(yīng)變級，具有很好的可靠性，可實(shí)現(xiàn)動態(tài)測量，采用分布式埋入可以實(shí)現(xiàn)對整個橋梁或建筑物的健康狀況監(jiān)測，從而防止工程及交通事故的發(fā)生。
2．在航空航天中的應(yīng)用
在航空航天領(lǐng)域，飛行安全是人們十分關(guān)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(yōu)點(diǎn)，將光纖光柵埋入飛行器或者發(fā)射塔結(jié)構(gòu)中，組成分布式智能傳感網(wǎng)絡(luò)，可以對飛行器及發(fā)射塔的內(nèi)部機(jī)械性能及外部環(huán)境進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。波音公司（Boeing）進(jìn)行了這方面的許多研究，并擁有許多專利技術(shù)。
3．在海洋石油平臺及油田等中的應(yīng)用
海洋石油平臺是海上石油資源開發(fā)的重大基礎(chǔ)性設(shè)施，是海上生產(chǎn)作業(yè)和生活的基礎(chǔ)。海洋平臺結(jié)構(gòu)所處環(huán)境十分復(fù)雜、惡劣，在其影響下，海洋平臺結(jié)構(gòu)的抗力衰減非常明顯，而傳統(tǒng)的電傳感器只能進(jìn)行單點(diǎn)測量，而且易受海水侵蝕而失效。
傳統(tǒng)的光纖傳感器絕大部分都是“光強(qiáng)型”和“干涉型”的，前者的信息讀取是測量光強(qiáng)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(chǎn)品有基于OTDR技術(shù)的分布式光纖測溫系統(tǒng)；后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(qiáng)相等，使光纖光路的靈活和連接的方便等優(yōu)點(diǎn)將大打折扣，而且它是一種“過程傳感器”而不是“狀態(tài)傳感器”必須要有一個“固定參考點(diǎn)”，這樣就給光纖傳感器的應(yīng)用帶來了難度，典型產(chǎn)品有加拿大FISO公司基于Fabry-Pérot干涉儀技術(shù)的光纖溫度、應(yīng)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(gòu)成分布傳感網(wǎng)絡(luò)，因此它可以應(yīng)用于一些傳統(tǒng)的電傳感器所不能應(yīng)用的領(lǐng)域，如油田、天然氣田及煤田等，用于探測儲量及地層狀況等。
北京品傲光電科技有限公司所開發(fā)的光纖光柵（Fiber Bragg Grating）傳感技術(shù)是上世紀(jì)末期開始發(fā)展并得到國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的一種世界上最先進(jìn)的光纖數(shù)碼傳感技術(shù)。其實(shí)現(xiàn)原理是：直接在石英單模光纖上制作多個光柵，封裝保護(hù)后形成光纖傳感鏈，可高精度地同時測量溫度、應(yīng)變、壓力、位移等多種物理量。由于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(qū)別在于傳感器是石英單模光纖中經(jīng)過加工、處理、封裝、保護(hù)的局部一段長度（一般為10mm左右）。所以，光纖光柵傳感技術(shù)最主要的優(yōu)點(diǎn)就在于現(xiàn)場不供電，免受雷擊損壞和電磁干擾；此外，由于光纖光柵溫度在線監(jiān)測儀采用并行光譜探測技術(shù)，系統(tǒng)中所有感溫探頭的單次同步掃描時間小于一秒鐘，加之感溫探頭的快速導(dǎo)熱封裝，使得開關(guān)柜及電纜接頭溫度監(jiān)測系統(tǒng)能夠在事故隱患產(chǎn)生時提前預(yù)警，有效避免事故的發(fā)生。
u 技術(shù)先進(jìn)：不是簡單地使用光纖直接進(jìn)行量測，而是采用世界上最先進(jìn)的光纖數(shù)碼傳感技術(shù)，在石英光纖上制作多個光柵，封裝保護(hù)后形成光纖傳感鏈，具有極高分辨率
u 產(chǎn)品可靠：在國內(nèi)外各領(lǐng)域大量重大工程中成功應(yīng)用，有眾多用戶使用報(bào)告
u 完善的產(chǎn)品認(rèn)證：通過中國計(jì)量科學(xué)研究院、國家消防電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心、中國電力科學(xué)院、石油和化學(xué)工業(yè)電氣產(chǎn)品防爆質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心等國家權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證
u 全光型：光纖探測并直接進(jìn)行信號傳輸，現(xiàn)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(biāo)優(yōu)于傳統(tǒng)的測溫傳感器
u 事前預(yù)警：可在1秒鐘內(nèi)完成上萬個監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，在設(shè)備過熱、火災(zāi)發(fā)生前預(yù)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(xiàn)場率定
u 布線簡潔：支持線形、多級星形及混合方式組網(wǎng)，施工快捷。避免了光纖纏繞、迂回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(jiān)測設(shè)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(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)主要由光纖光柵系列傳感器、光纖光柵解調(diào)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(nèi)部敏感元件——光纖光柵反射的光學(xué)頻譜對溫度、應(yīng)變及壓力、位移等物理性質(zhì)的敏感特性，通過光纖光柵解調(diào)儀內(nèi)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(xué)頻譜分析和物理量換算，以數(shù)字方式給出各監(jiān)測點(diǎn)的物理信息，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的報(bào)警條件設(shè)定值和變化率實(shí)時給出預(yù)警和報(bào)警信號。
【結(jié)構(gòu)災(zāi)害自動報(bào)警】
光纖光柵結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)自動對光纖光柵傳感器設(shè)置區(qū)域進(jìn)行實(shí)時溫度巡檢，檢測現(xiàn)場被監(jiān)測結(jié)構(gòu)的異常波動，在可能發(fā)生的事過前發(fā)現(xiàn)并及時報(bào)警。
【監(jiān)測點(diǎn)定位】
光纖光柵結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的液晶顯示屏以電子地圖方式實(shí)時顯示各監(jiān)測點(diǎn)的編號和當(dāng)前溫度值以及實(shí)際地理位置。方面管理人員操作和維護(hù)。并可選GPS系統(tǒng)進(jìn)行無線監(jiān)測。
【狀態(tài)查詢】
各個監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測信息都保存到光纖光柵解調(diào)儀的大容量儲存器，系統(tǒng)按照時間將數(shù)據(jù)分為歷史信息、實(shí)時信息，并且管理操作人員可以根據(jù)不同的時期動態(tài)調(diào)整監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時狀態(tài)監(jiān)測時間間隔，滿足實(shí)際要求。
管理操作人員可查看各監(jiān)測點(diǎn)的物理參數(shù)變化曲線，為決策和維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。
【報(bào)警設(shè)定】
管理操作人員可對光纖光柵結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的報(bào)警觸發(fā)條件進(jìn)行設(shè)定，以適用不同季節(jié)氣溫條件下電力設(shè)備實(shí)際運(yùn)行溫度的差異。
【物理參數(shù)統(tǒng)計(jì)】
可實(shí)時給出設(shè)備物理參數(shù)對應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)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(diào)儀獨(dú)有的“光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀”功能，對光纖傳輸線路的損耗及斷點(diǎn)位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，方便系統(tǒng)調(diào)試、維護(hù)及線路檢修。
光纖光柵結(jié)構(gòu)健康系統(tǒng)
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