概述
光纖智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由以下三部分構(gòu)成：光纖傳感器系統(tǒng)，信號(hào)傳輸與采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
其中光纖傳感器系統(tǒng)包括光纖傳感器的選型，選擇具體的調(diào)制方式和符合性能要求的光纖傳感器，然后需考慮光纖傳感器的拓?fù)浞绞?，要考慮傳感器的安裝是外表粘貼式還是內(nèi)部埋入式。
信號(hào)傳輸與采集系統(tǒng)包括光纖傳感器的校正、采樣模塊以及海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和方式。
數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測(cè)部分是健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部分，包括大量數(shù)據(jù)的有效性分析、結(jié)構(gòu)健康性能指標(biāo)的參數(shù)選擇、結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)的可視化系統(tǒng)以及相應(yīng)的災(zāi)害提前預(yù)警功能等。
光纖智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各部分之間是相互聯(lián)系、缺一不可的，每一部分都是整個(gè)系統(tǒng)的有機(jī)組成部分。由于目前光纖傳感器的標(biāo)準(zhǔn)化程度還不高，不同類型的傳感器一般都需要特定的解碼系統(tǒng)，因而一旦傳感器確定后，相應(yīng)的信號(hào)采集與處理系統(tǒng)也便隨之而定。所以光纖傳感器的優(yōu)化布置方法和實(shí)時(shí)信號(hào)的分析監(jiān)測(cè)便成為光纖智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵問題。
進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，光纖傳感器測(cè)量到的結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)狀態(tài)信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)傳輸與采集系統(tǒng)送到監(jiān)測(cè)中心，進(jìn)行相應(yīng)的處理和判斷，從而對(duì)結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。若監(jiān)測(cè)到的關(guān)鍵健康參數(shù)超過(guò)設(shè)定的閥值，則通過(guò)即時(shí)信息(SMS)、E-mail等方式及時(shí)通知相關(guān)的管理機(jī)構(gòu)，以便采取相應(yīng)的應(yīng)急措施，以避免造成重大的人員和財(cái)產(chǎn)的損失。
光纖傳感器
光導(dǎo)纖維的應(yīng)用是傳感器領(lǐng)域的重大突破，起源于光纖通信技術(shù)。在光通信利用中發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度、應(yīng)力等環(huán)境條件變化時(shí)，引起光纖傳輸?shù)墓獠◤?qiáng)度、相位、頻率、偏振態(tài)等變化，測(cè)量光波量的變化，就可知道導(dǎo)致這些變化產(chǎn)生的溫度、應(yīng)力等物理量的大小，根據(jù)這些原理便可研制出光導(dǎo)纖維傳感器。
光纖傳感器所用光纖與普通通訊用光纖基本相同，都由纖芯、包層和涂覆層組成。光纖纖芯的主要成分為二氧化硅，其中含有極微量的摻雜劑，一般為二氧化鍺，用以提高纖芯的折射率，形成全內(nèi)反射條件的弱導(dǎo)光纖將光限制在纖芯中。纖芯的直徑在5～50μm之間，其中單模光纖為9μm，多模光纖為50μm。包層主要成分也為二氧化硅，直徑為125μm。涂覆層一般為環(huán)氧樹脂、硅橡膠等高分子材料，外徑為250μm，用于增強(qiáng)光纖的柔韌型、機(jī)械強(qiáng)度和耐老化特性。而有些類型的光纖傳感器由于使用的場(chǎng)合不同需要對(duì)普通光纖做些加工處理，使其對(duì)特定的信號(hào)更加敏感。
光纖傳感器按照是否對(duì)所測(cè)量的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制一般可分為兩類：非本征型和本征型。非本征型光纖傳感器中的光纖，只起信號(hào)傳輸作用，由另外的探測(cè)裝置對(duì)載波光進(jìn)行調(diào)制獲取信號(hào)，檢測(cè)原理及所能測(cè)量的信號(hào)比較簡(jiǎn)單 。因?yàn)榉潜菊餍凸饫w傳感器中的光纖只起信號(hào)傳輸作用，與普通傳感器中的導(dǎo)線作用相當(dāng)，因而還不能稱為嚴(yán)格意義上的光纖傳感器。本征型光纖傳感器不僅傳輸信號(hào)，也起傳感作用，即通過(guò)光纖自身的光敏效應(yīng)、光彈效應(yīng)、雙折射效應(yīng)、法拉第效應(yīng)、熒光效應(yīng)等把待測(cè)量調(diào)制為光的強(qiáng)度、相位、偏振或者波長(zhǎng)的變化。本征型光纖傳感器又稱為功能型光纖傳感器或內(nèi)調(diào)制型光纖傳感器、全光纖傳感器。通常所說(shuō)的光纖傳感器均指本征型光纖傳感器。光纖傳感器按照測(cè)量的空間分布情況可以分為點(diǎn)傳感器、準(zhǔn)分布式傳感器和分布式傳感器。其中后兩種傳感器是光纖傳感器所特有的功能，既能夠在用一根光纖測(cè)量結(jié)構(gòu)上空間多點(diǎn)或者無(wú)限多自由度的參數(shù)分布，這可以說(shuō)是傳感器技術(shù)的根本變革。
激光器發(fā)出的光在傳感區(qū)域受環(huán)境信號(hào)的調(diào)制后經(jīng)耦合器進(jìn)入光探測(cè)器，解調(diào)后而得出環(huán)境信號(hào)。若為透射式，則光探測(cè)器置于傳感光纖的末端。但一般傳感部分都需經(jīng)過(guò)特別處理以便使光纖只對(duì)一種或者幾種感興趣的信號(hào)敏感，例如光纖微彎應(yīng)變傳感器通過(guò)齒形槽或者兩根光纖絞繞使傳感光纖部分有一個(gè)預(yù)變形使其對(duì)應(yīng)變敏感，而布拉格光柵光纖傳感器則在傳感光纖部分形成了一個(gè)或數(shù)個(gè)芯內(nèi)體光柵使其對(duì)某一個(gè)或者幾個(gè)特定波長(zhǎng)的光敏感。因?yàn)楣饫w傳感器的調(diào)制原理種類非常繁多，特定的傳感器必須與相應(yīng)的光源和解調(diào)設(shè)備一起使用，因此下文所說(shuō)的光纖傳感器均指光纖傳感器系統(tǒng)。
光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比有許多優(yōu)點(diǎn)：
（1）質(zhì)量輕、體積小。普通光纖外徑為250μm，細(xì)的傳感光纖直徑僅為35-40μm，可在結(jié)構(gòu)表面安裝或者埋入結(jié)構(gòu)體內(nèi)部，對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)的影響小，測(cè)量的結(jié)果是結(jié)構(gòu)參數(shù)更加真實(shí)的反映。埋入安裝時(shí)可檢測(cè)傳統(tǒng)傳感器很難或者根本無(wú)法監(jiān)測(cè)的信號(hào)，如：復(fù)合材料或者混凝土的內(nèi)部應(yīng)力或者溫度場(chǎng)分布、電力變壓器的絕緣檢測(cè)、山體滑坡的監(jiān)測(cè)等。
（2）靈敏度高。光纖傳感器采用光測(cè)量的技術(shù)手段，一般為微米量級(jí)。采用波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)，分辨率可達(dá)到波長(zhǎng)尺度的納米量級(jí)。
（3）耐腐蝕。由于光纖表面的涂覆層是由高分子材料做成，耐環(huán)境或者結(jié)構(gòu)中酸堿等化學(xué)成分腐蝕的能力強(qiáng)，適合于智能結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)。
（4）抗電磁干擾。當(dāng)光信息在光纖中傳輸時(shí),它不會(huì)與電磁場(chǎng)產(chǎn)生作用，因而信息在傳輸過(guò)程中抗電磁干擾能力很強(qiáng)。
（5）傳輸頻帶較寬。通常系統(tǒng)的調(diào)制帶寬為載波頻率的百分之幾，光波的頻率較傳統(tǒng)的位于射頻段或者微波段的頻率高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因而其帶寬有巨大的提高。便于實(shí)現(xiàn)時(shí)分或者頻分多路復(fù)用，可進(jìn)行大容量信息的實(shí)時(shí)測(cè)量，使大型結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)成為可能。
（6）分布或者準(zhǔn)分布式測(cè)量，能夠用一根光纖測(cè)量結(jié)構(gòu)上空間多點(diǎn)或者無(wú)限多自由度的參數(shù)分布，是傳統(tǒng)的機(jī)械類、電子類、微電子類等分立型器件無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，是傳器技術(shù)的新發(fā)展。
（7）使用期限內(nèi)維護(hù)費(fèi)用低。
總體來(lái)看，光纖傳感器的研究與應(yīng)用美國(guó)和日本處于地位，歐洲緊隨其后。美國(guó)偏重于軍事應(yīng)用，主要是應(yīng)變光纖傳感器和抗惡劣環(huán)境的特種光纖傳感器，日本偏重于民用，而歐洲則開展了領(lǐng)域廣泛的光纖傳感器研究與應(yīng)用。
光纖光柵傳感器
光纖光柵(Fiber Bragg Grating)傳感器屬于波長(zhǎng)調(diào)制型非線性作用的光纖傳感器 。Bragg這個(gè)名字起源于X射線結(jié)晶學(xué)的先驅(qū)Bragg父子，他們發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)單色射線源從某一個(gè)特定角度入射晶體中，所有的反射光集中到一個(gè)特定的方向上，在光纖光柵中也有類似的效果。通過(guò)待測(cè)量調(diào)制入射光束的波長(zhǎng)，測(cè)量反射光的波長(zhǎng)變化進(jìn)行檢測(cè)。由于波長(zhǎng)是一個(gè)絕對(duì)參數(shù)，不受總體光強(qiáng)水平、連接光纖及耦合器處的損耗或光源能量的影響，因此比其他光調(diào)制方式更加穩(wěn)定。光纖光柵傳感器是在光纖的一段范圍內(nèi)沿光纖軸向使纖芯折射率發(fā)生周期性變化而形成的芯內(nèi)體光柵，是一種準(zhǔn)分布式傳感器。
光纖光柵是將通信用光纖的一部分利用摻鍺光纖非線性吸收效應(yīng)的紫外全息曝光法而制成的一種稱為Bragg Grating的纖芯折射率周期性變化光柵。通常的光會(huì)全部穿過(guò)此Bragg Grating而不受影響，只有特定波長(zhǎng)的光（波長(zhǎng)為）在布拉格光柵處反射后會(huì)再返回到原來(lái)的方向。 在布拉格光柵處施加外力，光柵的間隔產(chǎn)生變化后，反射回來(lái)的光的波長(zhǎng)也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。Bragg 波長(zhǎng)同時(shí)受布拉格光柵周期和纖芯有效折射率擾動(dòng)的影響，因而通過(guò)監(jiān)測(cè)布拉格波長(zhǎng)的變化即可測(cè)出應(yīng)力和溫度擾動(dòng)。
1978年，Hill等人發(fā)現(xiàn)了光纖的光敏性，制作出世界上第一支光纖布拉格光柵(FBG)，于1989年采用橫向側(cè)面曝光技術(shù)制作光纖光柵，光纖光柵技術(shù)引起了人們的重視。之后各種新的制作方法和各種新型光纖光柵相繼被提出，例如：啁啾光柵(CFG)和長(zhǎng)周期光纖光柵(LPG)等。隨著光纖光柵制造技術(shù)的不斷完善，應(yīng)用成果的日益增多，使得光纖光柵成為目前發(fā)展前途、具有代表性的光纖無(wú)源器件之一。光纖光柵的應(yīng)用大大提高了光纖器件的性能，在光纖通信和光纖傳感領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。由于光纖光柵的出現(xiàn)，使許多復(fù)雜的全光纖通信和傳感網(wǎng)成為可能，極大地拓寬了光纖技術(shù)的應(yīng)用范圍。
在光纖通信方面，光纖光柵為光纖激光器、波分復(fù)用器、光放大器、色散補(bǔ)償器、波長(zhǎng)變換器、光分插復(fù)用器和光交叉互連等關(guān)鍵部件提供了很好的解決方案。例如，利用光纖光柵的窄帶高反射率特性構(gòu)成光纖反饋腔，依靠摻鉺光纖等為增益介質(zhì)即可制成光纖激光器，用光纖光柵作為激光二極管的外腔反射器，可以構(gòu)成外腔可調(diào)諧激光二極管；利用光纖光柵可構(gòu)成：Michelson干涉型、Mach-Zehnder干涉型和Fabry-Perot干涉型的光纖濾波器；利用非均勻光纖光柵濾波器可以制作成光纖色散補(bǔ)償器。
在光纖傳感方面，光纖光柵為光纖傳感技術(shù)開辟了一個(gè)新的應(yīng)用研究領(lǐng)域，可以制作應(yīng)力和溫度等參量的光纖光柵傳感器和傳感網(wǎng)絡(luò)。目前，已報(bào)道的光纖光柵傳感器可以檢測(cè)的物理量有：溫度、應(yīng)變、壓力、位移、壓強(qiáng)、扭角、扭矩(扭應(yīng)力) 、加速度、電流、電壓、磁場(chǎng)、頻率、濃度、熱膨脹系數(shù)、振動(dòng)等，其中，一部分光纖光柵傳感系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用。
光纖光柵傳感器除具有光纖傳感器的所有優(yōu)點(diǎn)之外，還具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：
1. 傳感頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、外形可變，適合埋入大型結(jié)構(gòu)中，可測(cè)量結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變及結(jié)構(gòu)損傷等，穩(wěn)定性、重復(fù)性好；
2. 與光纖之間存在天然的兼容性，易與光纖連接、低損耗、光譜特性好、可靠性高；
3. 具有非傳導(dǎo)性，對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小，又具有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點(diǎn)，適合在惡劣環(huán)境中工作；
4. 輕巧柔軟，可以在一根光纖中寫入多個(gè)光柵，構(gòu)成傳感陣列，與波分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)分布式傳感；
5. 測(cè)量信息是波長(zhǎng)編碼的，所以，光纖光柵傳感器不受光源的光強(qiáng)波動(dòng)、光纖連接及耦合損耗、以及光波偏振態(tài)的變化等因素的影響，有較強(qiáng)的抗干擾能力;
6. 高靈敏度、高分辯力。
正是由于具有這么多的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，光纖光柵傳感器在大型土木工程結(jié)構(gòu)、航空航天等領(lǐng)域的健康監(jiān)測(cè)，以及能源化工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近幾年對(duì)波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)的深入研究和不斷成熟，已經(jīng)擴(kuò)大了光纖光柵傳感器的應(yīng)用，并為智能傳感這一新思路創(chuàng)造了的一個(gè)新的機(jī)遇。智能結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，智能油井和管道，智能土木工程建筑，以及智能航空、航海傳感都需要高質(zhì)量、低成本、穩(wěn)定性好、傳感特性精密的光學(xué)傳感器，光纖光柵傳感器陣列由于其波長(zhǎng)編碼、可同時(shí)測(cè)量多個(gè)物理量（溫度、應(yīng)力、壓力等）以及一路光纖上應(yīng)用波分復(fù)用技術(shù)等自身的優(yōu)點(diǎn)在上述領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛關(guān)注。世界著名的油田設(shè)備服務(wù)商Schlumberger和Weather Ford，在過(guò)去的時(shí)間里，分別投資超過(guò)一個(gè)億美元購(gòu)買光纖光柵傳感器技術(shù)，廣泛應(yīng)用于陸地油井和海上石油平臺(tái)監(jiān)控。同時(shí)，美國(guó)國(guó)家宇航局專門立項(xiàng)用此傳感器對(duì)飛行器材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。美國(guó)海軍用此傳感器進(jìn)行對(duì)艦船潛艇結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)控，并在此基礎(chǔ)上研究開發(fā)超靈敏的光纖光柵的聲納系統(tǒng)。
目前國(guó)際國(guó)內(nèi)都在為光纖光柵傳感器的發(fā)展而努力，國(guó)際上已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了光纖光柵傳感器的產(chǎn)業(yè)化和工程化，如MOI、CiDRA、Weatherford等，國(guó)內(nèi)主要光纖傳感器技術(shù)公司如基康儀器、聚華科技、武漢理工等企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了由實(shí)驗(yàn)室向產(chǎn)品過(guò)渡的階段。
關(guān)于聚華科技
杭州聚華光電科技有限公司是一家基于物聯(lián)網(wǎng)光纖傳感器技術(shù)從事土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與預(yù)警管理的高新技術(shù)企業(yè)，聚華是光纖光柵傳感器產(chǎn)品提供商和土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)一站式解決方案優(yōu)質(zhì)合作伙伴。公司專注于橋梁、隧道、邊坡、基坑、地鐵、礦山、電力等土木工程領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、推廣與應(yīng)用，以提供野外光纖傳感器自動(dòng)化監(jiān)測(cè)產(chǎn)品、工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)一站式解決方案見長(zhǎng)。主要以光纖光柵傳感器技術(shù)、分布式光纖測(cè)溫技術(shù)、工程安全自動(dòng)化云計(jì)算軟件、工程化專業(yè)領(lǐng)域數(shù)據(jù)分析為技術(shù)核心。www.skhhsst.net
光纖智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由以下三部分構(gòu)成：光纖傳感器系統(tǒng)，信號(hào)傳輸與采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
其中光纖傳感器系統(tǒng)包括光纖傳感器的選型，選擇具體的調(diào)制方式和符合性能要求的光纖傳感器，然后需考慮光纖傳感器的拓?fù)浞绞?，要考慮傳感器的安裝是外表粘貼式還是內(nèi)部埋入式。
信號(hào)傳輸與采集系統(tǒng)包括光纖傳感器的校正、采樣模塊以及海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和方式。
數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測(cè)部分是健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部分，包括大量數(shù)據(jù)的有效性分析、結(jié)構(gòu)健康性能指標(biāo)的參數(shù)選擇、結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)的可視化系統(tǒng)以及相應(yīng)的災(zāi)害提前預(yù)警功能等。
光纖智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各部分之間是相互聯(lián)系、缺一不可的，每一部分都是整個(gè)系統(tǒng)的有機(jī)組成部分。由于目前光纖傳感器的標(biāo)準(zhǔn)化程度還不高，不同類型的傳感器一般都需要特定的解碼系統(tǒng)，因而一旦傳感器確定后，相應(yīng)的信號(hào)采集與處理系統(tǒng)也便隨之而定。所以光纖傳感器的優(yōu)化布置方法和實(shí)時(shí)信號(hào)的分析監(jiān)測(cè)便成為光纖智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵問題。
進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，光纖傳感器測(cè)量到的結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)狀態(tài)信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)傳輸與采集系統(tǒng)送到監(jiān)測(cè)中心，進(jìn)行相應(yīng)的處理和判斷，從而對(duì)結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。若監(jiān)測(cè)到的關(guān)鍵健康參數(shù)超過(guò)設(shè)定的閥值，則通過(guò)即時(shí)信息(SMS)、E-mail等方式及時(shí)通知相關(guān)的管理機(jī)構(gòu)，以便采取相應(yīng)的應(yīng)急措施，以避免造成重大的人員和財(cái)產(chǎn)的損失。
光纖傳感器
光導(dǎo)纖維的應(yīng)用是傳感器領(lǐng)域的重大突破，起源于光纖通信技術(shù)。在光通信利用中發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度、應(yīng)力等環(huán)境條件變化時(shí)，引起光纖傳輸?shù)墓獠◤?qiáng)度、相位、頻率、偏振態(tài)等變化，測(cè)量光波量的變化，就可知道導(dǎo)致這些變化產(chǎn)生的溫度、應(yīng)力等物理量的大小，根據(jù)這些原理便可研制出光導(dǎo)纖維傳感器。
光纖傳感器所用光纖與普通通訊用光纖基本相同，都由纖芯、包層和涂覆層組成。光纖纖芯的主要成分為二氧化硅，其中含有極微量的摻雜劑，一般為二氧化鍺，用以提高纖芯的折射率，形成全內(nèi)反射條件的弱導(dǎo)光纖將光限制在纖芯中。纖芯的直徑在5～50μm之間，其中單模光纖為9μm，多模光纖為50μm。包層主要成分也為二氧化硅，直徑為125μm。涂覆層一般為環(huán)氧樹脂、硅橡膠等高分子材料，外徑為250μm，用于增強(qiáng)光纖的柔韌型、機(jī)械強(qiáng)度和耐老化特性。而有些類型的光纖傳感器由于使用的場(chǎng)合不同需要對(duì)普通光纖做些加工處理，使其對(duì)特定的信號(hào)更加敏感。
光纖傳感器按照是否對(duì)所測(cè)量的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制一般可分為兩類：非本征型和本征型。非本征型光纖傳感器中的光纖，只起信號(hào)傳輸作用，由另外的探測(cè)裝置對(duì)載波光進(jìn)行調(diào)制獲取信號(hào)，檢測(cè)原理及所能測(cè)量的信號(hào)比較簡(jiǎn)單 。因?yàn)榉潜菊餍凸饫w傳感器中的光纖只起信號(hào)傳輸作用，與普通傳感器中的導(dǎo)線作用相當(dāng)，因而還不能稱為嚴(yán)格意義上的光纖傳感器。本征型光纖傳感器不僅傳輸信號(hào)，也起傳感作用，即通過(guò)光纖自身的光敏效應(yīng)、光彈效應(yīng)、雙折射效應(yīng)、法拉第效應(yīng)、熒光效應(yīng)等把待測(cè)量調(diào)制為光的強(qiáng)度、相位、偏振或者波長(zhǎng)的變化。本征型光纖傳感器又稱為功能型光纖傳感器或內(nèi)調(diào)制型光纖傳感器、全光纖傳感器。通常所說(shuō)的光纖傳感器均指本征型光纖傳感器。光纖傳感器按照測(cè)量的空間分布情況可以分為點(diǎn)傳感器、準(zhǔn)分布式傳感器和分布式傳感器。其中后兩種傳感器是光纖傳感器所特有的功能，既能夠在用一根光纖測(cè)量結(jié)構(gòu)上空間多點(diǎn)或者無(wú)限多自由度的參數(shù)分布，這可以說(shuō)是傳感器技術(shù)的根本變革。
激光器發(fā)出的光在傳感區(qū)域受環(huán)境信號(hào)的調(diào)制后經(jīng)耦合器進(jìn)入光探測(cè)器，解調(diào)后而得出環(huán)境信號(hào)。若為透射式，則光探測(cè)器置于傳感光纖的末端。但一般傳感部分都需經(jīng)過(guò)特別處理以便使光纖只對(duì)一種或者幾種感興趣的信號(hào)敏感，例如光纖微彎應(yīng)變傳感器通過(guò)齒形槽或者兩根光纖絞繞使傳感光纖部分有一個(gè)預(yù)變形使其對(duì)應(yīng)變敏感，而布拉格光柵光纖傳感器則在傳感光纖部分形成了一個(gè)或數(shù)個(gè)芯內(nèi)體光柵使其對(duì)某一個(gè)或者幾個(gè)特定波長(zhǎng)的光敏感。因?yàn)楣饫w傳感器的調(diào)制原理種類非常繁多，特定的傳感器必須與相應(yīng)的光源和解調(diào)設(shè)備一起使用，因此下文所說(shuō)的光纖傳感器均指光纖傳感器系統(tǒng)。
光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比有許多優(yōu)點(diǎn)：
（1）質(zhì)量輕、體積小。普通光纖外徑為250μm，細(xì)的傳感光纖直徑僅為35-40μm，可在結(jié)構(gòu)表面安裝或者埋入結(jié)構(gòu)體內(nèi)部，對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)的影響小，測(cè)量的結(jié)果是結(jié)構(gòu)參數(shù)更加真實(shí)的反映。埋入安裝時(shí)可檢測(cè)傳統(tǒng)傳感器很難或者根本無(wú)法監(jiān)測(cè)的信號(hào)，如：復(fù)合材料或者混凝土的內(nèi)部應(yīng)力或者溫度場(chǎng)分布、電力變壓器的絕緣檢測(cè)、山體滑坡的監(jiān)測(cè)等。
（2）靈敏度高。光纖傳感器采用光測(cè)量的技術(shù)手段，一般為微米量級(jí)。采用波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)，分辨率可達(dá)到波長(zhǎng)尺度的納米量級(jí)。
（3）耐腐蝕。由于光纖表面的涂覆層是由高分子材料做成，耐環(huán)境或者結(jié)構(gòu)中酸堿等化學(xué)成分腐蝕的能力強(qiáng)，適合于智能結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)。
（4）抗電磁干擾。當(dāng)光信息在光纖中傳輸時(shí),它不會(huì)與電磁場(chǎng)產(chǎn)生作用，因而信息在傳輸過(guò)程中抗電磁干擾能力很強(qiáng)。
（5）傳輸頻帶較寬。通常系統(tǒng)的調(diào)制帶寬為載波頻率的百分之幾，光波的頻率較傳統(tǒng)的位于射頻段或者微波段的頻率高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因而其帶寬有巨大的提高。便于實(shí)現(xiàn)時(shí)分或者頻分多路復(fù)用，可進(jìn)行大容量信息的實(shí)時(shí)測(cè)量，使大型結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)成為可能。
（6）分布或者準(zhǔn)分布式測(cè)量，能夠用一根光纖測(cè)量結(jié)構(gòu)上空間多點(diǎn)或者無(wú)限多自由度的參數(shù)分布，是傳統(tǒng)的機(jī)械類、電子類、微電子類等分立型器件無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，是傳器技術(shù)的新發(fā)展。
（7）使用期限內(nèi)維護(hù)費(fèi)用低。
總體來(lái)看，光纖傳感器的研究與應(yīng)用美國(guó)和日本處于地位，歐洲緊隨其后。美國(guó)偏重于軍事應(yīng)用，主要是應(yīng)變光纖傳感器和抗惡劣環(huán)境的特種光纖傳感器，日本偏重于民用，而歐洲則開展了領(lǐng)域廣泛的光纖傳感器研究與應(yīng)用。
光纖光柵傳感器
光纖光柵(Fiber Bragg Grating)傳感器屬于波長(zhǎng)調(diào)制型非線性作用的光纖傳感器 。Bragg這個(gè)名字起源于X射線結(jié)晶學(xué)的先驅(qū)Bragg父子，他們發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)單色射線源從某一個(gè)特定角度入射晶體中，所有的反射光集中到一個(gè)特定的方向上，在光纖光柵中也有類似的效果。通過(guò)待測(cè)量調(diào)制入射光束的波長(zhǎng)，測(cè)量反射光的波長(zhǎng)變化進(jìn)行檢測(cè)。由于波長(zhǎng)是一個(gè)絕對(duì)參數(shù)，不受總體光強(qiáng)水平、連接光纖及耦合器處的損耗或光源能量的影響，因此比其他光調(diào)制方式更加穩(wěn)定。光纖光柵傳感器是在光纖的一段范圍內(nèi)沿光纖軸向使纖芯折射率發(fā)生周期性變化而形成的芯內(nèi)體光柵，是一種準(zhǔn)分布式傳感器。
光纖光柵是將通信用光纖的一部分利用摻鍺光纖非線性吸收效應(yīng)的紫外全息曝光法而制成的一種稱為Bragg Grating的纖芯折射率周期性變化光柵。通常的光會(huì)全部穿過(guò)此Bragg Grating而不受影響，只有特定波長(zhǎng)的光（波長(zhǎng)為）在布拉格光柵處反射后會(huì)再返回到原來(lái)的方向。 在布拉格光柵處施加外力，光柵的間隔產(chǎn)生變化后，反射回來(lái)的光的波長(zhǎng)也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。Bragg 波長(zhǎng)同時(shí)受布拉格光柵周期和纖芯有效折射率擾動(dòng)的影響，因而通過(guò)監(jiān)測(cè)布拉格波長(zhǎng)的變化即可測(cè)出應(yīng)力和溫度擾動(dòng)。
1978年，Hill等人發(fā)現(xiàn)了光纖的光敏性，制作出世界上第一支光纖布拉格光柵(FBG)，于1989年采用橫向側(cè)面曝光技術(shù)制作光纖光柵，光纖光柵技術(shù)引起了人們的重視。之后各種新的制作方法和各種新型光纖光柵相繼被提出，例如：啁啾光柵(CFG)和長(zhǎng)周期光纖光柵(LPG)等。隨著光纖光柵制造技術(shù)的不斷完善，應(yīng)用成果的日益增多，使得光纖光柵成為目前發(fā)展前途、具有代表性的光纖無(wú)源器件之一。光纖光柵的應(yīng)用大大提高了光纖器件的性能，在光纖通信和光纖傳感領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。由于光纖光柵的出現(xiàn)，使許多復(fù)雜的全光纖通信和傳感網(wǎng)成為可能，極大地拓寬了光纖技術(shù)的應(yīng)用范圍。
在光纖通信方面，光纖光柵為光纖激光器、波分復(fù)用器、光放大器、色散補(bǔ)償器、波長(zhǎng)變換器、光分插復(fù)用器和光交叉互連等關(guān)鍵部件提供了很好的解決方案。例如，利用光纖光柵的窄帶高反射率特性構(gòu)成光纖反饋腔，依靠摻鉺光纖等為增益介質(zhì)即可制成光纖激光器，用光纖光柵作為激光二極管的外腔反射器，可以構(gòu)成外腔可調(diào)諧激光二極管；利用光纖光柵可構(gòu)成：Michelson干涉型、Mach-Zehnder干涉型和Fabry-Perot干涉型的光纖濾波器；利用非均勻光纖光柵濾波器可以制作成光纖色散補(bǔ)償器。
在光纖傳感方面，光纖光柵為光纖傳感技術(shù)開辟了一個(gè)新的應(yīng)用研究領(lǐng)域，可以制作應(yīng)力和溫度等參量的光纖光柵傳感器和傳感網(wǎng)絡(luò)。目前，已報(bào)道的光纖光柵傳感器可以檢測(cè)的物理量有：溫度、應(yīng)變、壓力、位移、壓強(qiáng)、扭角、扭矩(扭應(yīng)力) 、加速度、電流、電壓、磁場(chǎng)、頻率、濃度、熱膨脹系數(shù)、振動(dòng)等，其中，一部分光纖光柵傳感系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用。
光纖光柵傳感器除具有光纖傳感器的所有優(yōu)點(diǎn)之外，還具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：
1. 傳感頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、外形可變，適合埋入大型結(jié)構(gòu)中，可測(cè)量結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變及結(jié)構(gòu)損傷等，穩(wěn)定性、重復(fù)性好；
2. 與光纖之間存在天然的兼容性，易與光纖連接、低損耗、光譜特性好、可靠性高；
3. 具有非傳導(dǎo)性，對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小，又具有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點(diǎn)，適合在惡劣環(huán)境中工作；
4. 輕巧柔軟，可以在一根光纖中寫入多個(gè)光柵，構(gòu)成傳感陣列，與波分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)分布式傳感；
5. 測(cè)量信息是波長(zhǎng)編碼的，所以，光纖光柵傳感器不受光源的光強(qiáng)波動(dòng)、光纖連接及耦合損耗、以及光波偏振態(tài)的變化等因素的影響，有較強(qiáng)的抗干擾能力;
6. 高靈敏度、高分辯力。
正是由于具有這么多的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，光纖光柵傳感器在大型土木工程結(jié)構(gòu)、航空航天等領(lǐng)域的健康監(jiān)測(cè)，以及能源化工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近幾年對(duì)波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)的深入研究和不斷成熟，已經(jīng)擴(kuò)大了光纖光柵傳感器的應(yīng)用，并為智能傳感這一新思路創(chuàng)造了的一個(gè)新的機(jī)遇。智能結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，智能油井和管道，智能土木工程建筑，以及智能航空、航海傳感都需要高質(zhì)量、低成本、穩(wěn)定性好、傳感特性精密的光學(xué)傳感器，光纖光柵傳感器陣列由于其波長(zhǎng)編碼、可同時(shí)測(cè)量多個(gè)物理量（溫度、應(yīng)力、壓力等）以及一路光纖上應(yīng)用波分復(fù)用技術(shù)等自身的優(yōu)點(diǎn)在上述領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛關(guān)注。世界著名的油田設(shè)備服務(wù)商Schlumberger和Weather Ford，在過(guò)去的時(shí)間里，分別投資超過(guò)一個(gè)億美元購(gòu)買光纖光柵傳感器技術(shù)，廣泛應(yīng)用于陸地油井和海上石油平臺(tái)監(jiān)控。同時(shí)，美國(guó)國(guó)家宇航局專門立項(xiàng)用此傳感器對(duì)飛行器材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。美國(guó)海軍用此傳感器進(jìn)行對(duì)艦船潛艇結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)控，并在此基礎(chǔ)上研究開發(fā)超靈敏的光纖光柵的聲納系統(tǒng)。
目前國(guó)際國(guó)內(nèi)都在為光纖光柵傳感器的發(fā)展而努力，國(guó)際上已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了光纖光柵傳感器的產(chǎn)業(yè)化和工程化，如MOI、CiDRA、Weatherford等，國(guó)內(nèi)主要光纖傳感器技術(shù)公司如基康儀器、聚華科技、武漢理工等企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了由實(shí)驗(yàn)室向產(chǎn)品過(guò)渡的階段。
關(guān)于聚華科技
杭州聚華光電科技有限公司是一家基于物聯(lián)網(wǎng)光纖傳感器技術(shù)從事土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與預(yù)警管理的高新技術(shù)企業(yè)，聚華是光纖光柵傳感器產(chǎn)品提供商和土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)一站式解決方案優(yōu)質(zhì)合作伙伴。公司專注于橋梁、隧道、邊坡、基坑、地鐵、礦山、電力等土木工程領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、推廣與應(yīng)用，以提供野外光纖傳感器自動(dòng)化監(jiān)測(cè)產(chǎn)品、工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)一站式解決方案見長(zhǎng)。主要以光纖光柵傳感器技術(shù)、分布式光纖測(cè)溫技術(shù)、工程安全自動(dòng)化云計(jì)算軟件、工程化專業(yè)領(lǐng)域數(shù)據(jù)分析為技術(shù)核心。www.skhhsst.net