展望光纖傳感器的(de)未來

       

       在過去(qù)60年(nián)中，光纖傳感(FOS)經常被衆多的(de)行業用來增強和(hé)測試建築、車輛、醫療設備等的(de)完整性、效率、安全性和(hé)耐用性。而過去(qù)5年(nián)中光纖傳感技術的(de)發展使得它能夠實現航空、能源甚至醫療等應用中空前水平的(de)數據和(hé)檢測密度。這将有助于工程師解決他們目前面臨的(de)問題，并通過創新改進他們的(de)設計。今天光纖技術有着大量的(de)實用意義，并且未來應用的(de)可(kě)能性也非常廣泛。

       第一(yī)款光纖傳感器是在20世紀60年(nián)代獲得專利許可(kě)的(de)，基于的(de)是自(zì)由空間光學(xué)。大約10年(nián)後，研究人員開發出了首款內(nèi)在(intrinsic)光纖傳感器。這種新技術可(kě)以比自(zì)由空間傳感器提供更明顯的(de)工程效益，可(kě)用來獲得可(kě)靠的(de)機械測量結果。光纖的(de)使用允許信号在可(kě)部署的(de)介質中傳送，而自(zì)由空間的(de)光需要依賴視(shì)距傳播，無法部署于運營建築或車輛中。于20世紀80年(nián)代正式商用化的(de)光纖陀螺儀是光纖傳感器的(de)最早應用之一(yī)，現在已經成為(wèi)穩定系統和(hé)導航系統中的(de)關鍵元件。20世紀90年(nián)代初，民用行業開始在多種應用中實現各種類型的(de)光纖傳感器，用于測量溫度、應變、壓力等參數。

　　工程師還開始做(zuò)了基于光纖布拉格光栅(FBG)的(de)傳感器試驗。光纖光栅傳感器憑借其複用和(hé)準分布式功能，與現有的(de)光纖傳感技術相比具有獨特的(de)優勢。到2000年(nián)，民用行業中就已經出現許多常見應用，包括監視(shì)曆史建築中關鍵部件的(de)變形、監視(shì)橋梁中關鍵點的(de)應變以及觀察混凝土凝固時的(de)行為(wèi)等。這些應用中大多數使用各種幹涉儀傳感器，其中大部分不能複用。

　　光纖光栅傳感器在很大程度上替代了民用、石油和(hé)天然氣以及航空應用中的(de)這些技術。舉例來說，光纖光栅傳感器就經常在石油和(hé)天然氣領域中用來監視(shì)關鍵鑽井工具上的(de)壓力和(hé)其它參數。同樣，航空業也一(yī)直在将光纖光栅傳感器用于建築健康監視(shì)、負載測試和(hé)疲勞測試。

　　21世紀00年(nián)代初，另外一(yī)種光纖傳感技術——分布式傳感出現了，并在石油和(hé)天然氣行業中展示出非常大的(de)潛力。這些技術主要用來測量沿着整條光纖的(de)溫度，幫助改進各種鑽井工藝，包括洩漏檢測、注入過程監視(shì)以及流量圖創建。雖然它們提供分布式測量，但這些技術具有很慢的(de)刷新率(在兩次采集之間的(de)間隔至少好幾秒)，空間分辨率在米數量級。

       內(nèi)在和(hé)外在傳感器是光纖傳感器的(de)兩大類。外在傳感器使用光纖将光線導入檢測區域，光在這個區域離(lí)開波導，并在另一(yī)種介質中被調制。而對內(nèi)在傳感器來說，光一(yī)直保持在波導內(nèi)，因此它測量的(de)是光沿着光纖傳播時的(de)光信号效應。

　　光纖本身就是傳感器的(de)內(nèi)在光纖傳感器技術近年(nián)來得到了很大的(de)發展。內(nèi)在傳感器有兩種不同的(de)技術：散射或光纖光栅。散射技術可(kě)以沿着光纖提供完全分布式的(de)數據點，而光纖光栅技術既可(kě)以實現少量的(de)檢測點，也可(kě)以實現準分布式的(de)數據點。通過在整條光纖上放置光纖光栅，工程師可(kě)以分析反射光的(de)變化，并通過解調這些信息提供精确的(de)測量。散射技術完全不使用光纖光栅，而是利用光纖內(nèi)自(zì)然發生的(de)随機不完美信号獲得讀數。由于光纖光栅通常都被制造成精良的(de)傳感器，因此它們具有比散射技術高(gāo)得多的(de)信噪比。

　　應變計、熱電偶和(hé)液位傳感器隻關心一(yī)些關鍵點，而分布式光纖傳感器卻可(kě)以提供關鍵點之間的(de)更多信息，因此可(kě)以幫助工程師實現對整個應變域、溫度分布和(hé)其它參數的(de)精确測量。散射和(hé)光纖光栅使用不同的(de)解調技術。散射技術通過解調自(zì)然發生的(de)拉曼、布裏淵或瑞利後向散射信号獲得有用的(de)數據。光纖光栅技術最常用的(de)解調技術是波分複用(WDM)。然而在某些場合光頻域反射計(OFDR)具有比波分複用更大的(de)優勢。

　　波分複用可(kě)以覆蓋很長(cháng)的(de)距離(lí)并快速獲取數據，而且這種技術支持一(yī)條光纖上配置多個光栅;然而，每增加一(yī)個光栅都會顯著降低(dī)數據刷新率。波分複用測量的(de)典型參數包括應變和(hé)溫度，雖然在某些場合它也可(kě)以連接單個加速度計或壓力傳感器。另外，波分複用隻允許用戶監視(shì)關鍵點，無法監視(shì)整個信息域。基于這個理(lǐ)由，要求很高(gāo)采集速度和(hé)隻需少量數據點的(de)應用，比如(rú)監視(shì)汽車碰撞測試中的(de)部件，就非常适合使用波分複用技術。

　　拉曼、布裏淵或瑞利散射技術可(kě)以覆蓋數公裏的(de)距離(lí)，并提供完整的(de)分布式信息。與波分複用不同，散射技術是完全分布式的(de)，這意味着它們可(kě)以獲得整條光纖上的(de)數據，而不隻是幾個關鍵點。雖然瑞利散射可(kě)以獲得應變數據，但市場上的(de)許多系統隻能測量溫度或聲信号，這些系統被稱為(wèi)分布式溫度傳感系統(DTS)或分布式聲檢測系統(DAS)。散射技術是必須覆蓋好幾公裏但不要求高(gāo)精度高(gāo)刷新率的(de)應用的(de)理(lǐ)想之選。舉例來說，監視(shì)管道(dào)以防止被破壞的(de)應用隻要求米數量級的(de)空間分辨率，并且不要求很高(gāo)的(de)數據采集速度。

　　光頻域反射計(OFDR)是經常與光纖光栅傳感器一(yī)起使用的(de)另外一(yī)種不同解調技術，光栅被放置在兩端，可(kě)實現完全分布式的(de)傳感光纖。OFDR擁有比散射技術高(gāo)得多的(de)空間分辨率，而光栅數量也比波分複用多得多。OFDR具有的(de)一(yī)種獨特優勢是即使增加傳感器數量也能保持很高(gāo)的(de)數據刷新率。高(gāo)空間分辨率、快速刷新率、很多的(de)傳感器數量以及完全分布式特性使得OFDR已經成為(wèi)目前市場上最複雜的(de)傳感技術之一(yī)。與散射技術和(hé)波分複用技術不同，OFDR的(de)一(yī)些應用可(kě)以将多種技術整合成單一(yī)的(de)強大平台。除了檢測應變和(hé)溫度外，OFDR技術還能判斷2D變形、3D形狀、液位、壓力、工作負荷和(hé)磁場。由于平台的(de)通用性，工程師可(kě)以用一(yī)個系統解決多個問題，從而使得這個行業更有效率和(hé)效益。

   光頻域反射計的(de)實際使用案例

　　航空航天

　　應力和(hé)應變是判斷飛(fēi)行器壽命和(hé)操作安全的(de)主要參數。航空公司和(hé)航天機構一(yī)直在努力尋找更安全的(de)設備和(hé)工藝。然而，現有技術使得監視(shì)并保持飛(fēi)機和(hé)航天器結構安全的(de)難度和(hé)成本都很高(gāo)。另外，現有技術不能明确地(dì)指示一(yī)架飛(fēi)機或航天器何時壽命終止。

　　由于可(kě)以在頭發絲細的(de)光纖中包含成千個傳感器，光纖傳感器解決方案可(kě)以提供詳細的(de)飛(fēi)行器健康信息。例如(rú)通過在航天領域使用光纖傳感器，工程師可(kě)以：

　　●盡量減少飛(fēi)行器的(de)故障時間，精準調整維修保養計劃

　　●通過本質安全的(de)燃油量測量改進燃油消耗

　　●監視(shì)翅膀和(hé)其它易變形部件的(de)形狀

　　●判斷飛(fēi)行器何時達到終了壽命

　　●理(lǐ)解複雜的(de)機身對飛(fēi)行條件的(de)響應

　　●在飛(fēi)行過程中向控制系統提供反饋數據

　　通過使用光纖傳感器技術，工程師可(kě)以通過連續監視(shì)應變、溫度、應力、負載、機外變形和(hé)3D形狀來測試、監視(shì)和(hé)分析材料結構的(de)完整性并捕獲飛(fēi)行器部件的(de)位置反饋數據。工程師可(kě)以借助這些數據提高(gāo)飛(fēi)行器的(de)安全性、延長(cháng)使用壽命、減少維修時間并增強飛(fēi)行效率——所有這些成果最終都将反映為(wèi)成本的(de)下降。

　　醫療

　　光學(xué)形狀傳感器的(de)小直徑和(hé)化學(xué)惰性使得光纖傳感器技術成為(wèi)醫療應用的(de)理(lǐ)想選擇。這些特性允許光纖傳感器與現有的(de)微創技術結合在一(yī)起。利用光纖傳感器技術可(kě)以向外科醫生提供有關整個儀器長(cháng)度的(de)位置信息，不需要使用x射線或超聲波。3D數據可(kě)以實時繪制出來，并顯示在監視(shì)器上，用于展示儀器的(de)位置。這種圖像還可(kě)以與身體內(nèi)已知的(de)位置坐标進行比較，幫助內(nèi)科醫生将內(nèi)窺鏡尖端發送的(de)參考視(shì)頻與儀器其餘部分如(rú)何放置及位于何處結合起來。這種改良的(de)位置感知有助于實時的(de)儀器引導，最大限度地(dì)減少向病人身體內(nèi)注入外來材料，并遠離(lí)輻射。

　　在醫療行業內(nèi)使用光纖傳感器的(de)好處包括：

　　●改進MRI系統中的(de)成像技術

　　●輔助血管操作和(hé)檢測，以識别血管堵塞的(de)嚴重性

　　●在微創手術和(hé)探測過程中判斷目标形狀

　　●實現更高(gāo)分辨率的(de)儀器跟蹤，同時盡量降低(dī)與傳統成像方法相關的(de)複雜性

　　●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視(shì)應用的(de)理(lǐ)想之選，因為(wèi)它能提前收集實時的(de)張力、扭矩和(hé)形狀信息。海底立管設計可(kě)以承受工程師從未見過的(de)某些最複雜負荷和(hé)惡劣環境。立管的(de)動态特性、它的(de)部件及其環境使得它容易受到結構性應力、疲勞應力、材料磨損、機械性能劣化、沖擊和(hé)環境引起的(de)負荷。由于這些和(hé)其它因素，傳感器和(hé)使用儀器測量立管對負荷的(de)結構性響應的(de)能力就顯得非常重要。

　　通過在各種能源應用中使用光纖傳感器可(kě)以：

　　●最大限度地(dì)提高(gāo)立管和(hé)鑽井平台的(de)完整性

　　●根據變形和(hé)旋轉信息向風力機葉片提供控制系統反饋

　　●監視(shì)風力機葉片的(de)結構完整性

　　●檢測核電站部件結構性的(de)健康和(hé)校準信息

　　光纖傳感器的(de)未來

　　光纖傳感器的(de)價格及尺寸是光纖傳感技術的(de)普及目前面臨的(de)兩大障礙。一(yī)旦這些問題得到解決，我們就有望看到在新的(de)行業中更多的(de)使用案例。

　　就拿時尚行業來說。未來人們可(kě)以将傳感器插入服裝的(de)某塊縫合處，提供有關個人的(de)體形、身高(gāo)、重量分布等所有數據和(hé)信息。這些數據再用來為(wèi)該穿戴者設計專門的(de)服裝。這将徹底沖擊時尚業，根本改變服裝設計生産的(de)方法。想象一(yī)下在網上購物，衣服到你手中時已經經過剪裁完美地(dì)适合你的(de)身材，簡直太酷了。

　　讓我們再看看汽車行業。通過在整個汽車結構件中插入光纖傳感器，我們可(kě)以接收到有關汽車如(rú)何響應周邊環境變化的(de)實時反饋，或監視(shì)某個汽車部件何時需要更換。這些工作都可(kě)以實時完成，并在緊急情況可(kě)能發生之前提醒駕乘人員。

　　在建築領域，光纖可(kě)以放進樓宇或道(dào)路中，用于監視(shì)和(hé)判斷建築材料在長(cháng)時間使用過程中受環境影響的(de)程度，并在問題發生之前及早檢測出來。

　　內(nèi)在光纖傳感技術在空間分辨率、刷新率和(hé)檢測長(cháng)度方面的(de)優勢已經幫助提升了許多行業解決問題的(de)能力。光纖傳感器收集的(de)數據和(hé)信息不僅有助于工程師解決當前的(de)問題，還有助于未來的(de)推陳出新。随着這種技術的(de)不斷發展，諸如(rú)航天、能源和(hé)醫療等領域的(de)設計和(hé)應用也會越來越先進。随着工程師通過創新不斷地(dì)挖掘技術的(de)潛力，傳感檢測系統還能夠解決萌芽中的(de)問題。光纖傳感器具有很大的(de)靈活性，足以實現為(wèi)一(yī)種平台，然後作為(wèi)關鍵系統的(de)一(yī)個組件集成進設計中，用于實現必要的(de)實時監視(shì)功能，或單獨作為(wèi)先進的(de)測試套件使用。