FBG阵列传感作为新一代光纤光栅传感技术,有机结合了传统“分立式光纤光栅传感”与“分布式光纤传感”各自的优势,是实现大容量、高精度、高密度、长距离、高可靠性光纤传感网络的最有效途径。
光纤的光敏特性早在1978年就被发现,但是直到20世纪90年代,在光纤通信领域和光纤传感领域的一系列里程碑式的技术进步才使FBG的商用化得到快速发展。表1概括描述了光纤布拉格光栅传感技术的发展历程。
表1 光纤布拉格光栅传感技术的发展简表
分立式FBG传感器开始商用至今已有30多年的历史,该项技术的关键器件已经全部实现国产化,并在众多领域得到广泛应用,包括桥梁、隧道、边坡、大坝等大型建筑的监测,石油天然气领域的监测,火电、水电、风电、核电等领域大型电力设施的监测,高速公路、高速铁路/地铁、机场道面的智能监测等。但面临着这些主要问题:
● 极端工作条件下,光纤光栅传感器本身及其熔接组网的可靠性较低,例如油气井下耐高温高压以及抗氢损的能力、核辐照环境下的耐受能力较弱等;
● 分立式光纤光栅传感器种类繁多、适用场景广泛,目前仍缺少统一的工业标准,极大限制了其发展应用。
而FBG阵列传感技术自2003年提出至今已接近20年。目前国际上三家机构的相关工作最具代表性:国外的德国莱布尼茨光子技术研究所(IPHT)、比利时FBGS公司,以及国内的武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室姜德生院士团队(实现了单根光纤几十万个光纤光栅阵列的工业化生产,其已在交通、电力、石化等领域实现大规模应用,为多个行业的智能化发展提供了新的传感手段和方法),目前仍然面临着以下主要问题:
●面向诸多实际应用场景的光纤光栅阵列传感光缆的成缆关键技术、规模化生产工艺与工程安装规范;
●结合实际应用场景需要的光纤光栅阵列海量传感大数据的实时采集、存储、处理以及人工智能模式识别;
●面向大型基础设施结构健康监测和重点行业领域安全监测的基础数据库/样本库建设、专家系统与智能化功能平台开发。
3、光纤陀螺技术
光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的光纤旋转传感器,是光纤和光波器件组成的全固态结构,无运动部件、重量轻、可靠性高、配置灵活,通过优化设计可实现高精度、低成本,是目前惯性技术领域的主流陀螺仪表。
谐振型光纤陀螺的光纤谐振腔短,具有激光陀螺的可靠性高、精度高、易于维护、寿命长的特点,具有重要的应用潜力。近年来,研究人员将空芯光纤用于光纤谐振环,为谐振型光纤陀螺的发展创造了条件,使其成为一个比较活跃的研究领域。
光纤陀螺技术的研发过程堪称为一种典型的新技术研发范例。1976-1986年为光纤陀螺的迅速发展时期,在此期间干涉型开环和闭环方案被提出,并研究出有源、无源和集成谐振陀螺等,发明了对称绕环技术,研发了保偏光纤、超辐射发光二极管(SLD)光源、集成光学调制器等。1987-1996年,大功率、光谱稳定的掺铒光纤光源被提出,强度噪声相关理论和抑制技术得到充分的研究,这支撑了高精度光纤陀螺的发展,干涉型光纤陀螺的精度达到0.0003 (°)/h,光纤陀螺开始进入实际应用。近年来,光纤陀螺技术研究主要集中在提高精度、降低噪声、抑制温度误差和新方案、新应用等方面。
随着技术、器件和工艺的成熟,以及应用领域的不断拓展,市场对中精度光纤陀螺的需求逐年上升。光纤陀螺技术已达到较高的成熟度,目前该项技术的关键器件已经能够全部实现国产化。系列化的光纤陀螺产品已在海、陆、空、天等领域大量使用,并形成了配套的产业群和较大的市场规模。但面向超高精度惯性系统和大规模低成本应用需求,需要突破如下主要问题:
●面向长航时高精度惯性导航和高灵敏度、低噪声行星地震学六分量地震长期观测需求,高精度光纤陀螺的性能指标还有较大差距;
●由温度及其变化引入的漂移和噪声,是影响光纤陀螺现场应用性能的主要因素,已有的技术效果有限,期待实用有效的方案和技术;
●谐振型光纤陀螺具有独特的优势,具有很大的应用潜力,目前尚处于原理样机研究阶段,未形成实用的方案和技术;
●为控制光纤陀螺的制作成本、提高生产效率,关键工艺、装备和关键参数在线监测和控制等方面还存在一些不明确的问题需要揭示和解决;
●光纤陀螺具有低成本、大批量生产的应用潜力,但尚缺合适的定型方案、低成本光纤材料、器件和相关的批产工艺。
4、光纤水听器技术