光纤传感技术论文十篇

光纤传感技术论文篇1

关键词：光纤传感；军队人才培养；课程建设与改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）09-0065-04

一、引言

光纤传感技术是一门基础理论与工程应用紧密结合、理论与实践能力并重的系统学科，既要求学员有扎实的光学、电学基础，又要求学员能够摆脱课本的束缚、根据实际工程应用灵活运用已学到的知识。为适应这一形势，2006年以来，我们针对技术类本科生、军事指挥类本科生、硕士研究生和博士研究生的不同特点和未来适应部队工作的不同要求，建立了光纤传感技术系列课程。

作为一门应用学科，“学以致用”是光纤传感技术系列课程的特色之一。为此，课程建设非常注重学员对课程知识的实践应用能力培养，在教学实践中，结合课程特点和授课对象的学习特点，大力推进教学方法与手段的研究改革，在多层次一体化课程体系建设、教学方法与手段改革、创新人才培养、教师队伍建设等方面取得了较大成绩，下面分别进行介绍。

二、光纤传感技术多层次一体化课程建设

我校早在上世纪90年代就开设了《光纤传感技术》课程，并作为光纤传感专业研究生的必修专业基础课，为培养光纤传感技术人才起到了不可替代的作用。然而随着光纤传感技术在现代化信息战争中的应用越来越广泛，部队对光纤传感专业的人才数量和质量要求越来越高。我校原有的只针对研究生展开的《光纤传感技术》课程已经远远不能适应培养部队所需人才的紧迫要求。从2004年开始我院开始酝酿对光纤传感技术课程进行深入改革，将授课对象拓展到全校本科生和本院研究生，并从2006年开始实行。经过6年多的系统建设，最终建立起了完备的多层次光纤传感系列课程。

由于本科生和研究生、本专业和非本专业学员、技术类和军事指挥类学员的知识基础和应用方向差异太大，如何科学划分课程层次、清晰明确课程内容、准确定位课程目标是光纤传感系列课程建设的重点和难点。

在广泛调研军队需求、不同类别学员的知识积累和兴趣及国内外学校同专业的课程设置基础上，我们建立起了分别面向本科生和研究生、技术类和军事指挥类、本院专业和全校学员的光纤传感系列课程。新增了技术类《光纤传感技术》、军事指挥类《光纤传感技术》，面向全校本科生专题研讨课《基于虚拟仪器的光纤传感技术》三门课程，原有针对研究生的《光纤传感技术》则改为《光纤传感系统》[1，2]。

（一）建立起针对本院技术类本科生的《光纤传感技术》课程内容体系，以“扎实广泛的技术基础为核心，典型的系统应用为亮点”

考虑到授课学员在学习本课程之前已经在《光纤通信》、《光电检测技术》等课程中对光纤和光纤器件等有初步了解，在本课程中首先介绍光纤传感技术的概念和内涵，然后针对光纤传感系统的特点，介绍光纤、光纤器件、光纤传感原理和光纤传感信号解调原理。这四部分内容涵盖了强度型、偏振型、波长型、相位型和分布式光纤传感的系统构成、传感原理和关键技术，为光纤传感基础知识，具有信息量大、知识点多、覆盖范围广泛的特点；最后以2-3种典型的光纤传感系统为例，向学员示范在系统中如何对基础知识进行灵活应用，启发学员根据学到的基础知识来分析理解新型光纤传感系统。

（二）研究生的《光纤传感系统》课程以“系统应用技术为核心，系统设计为亮点”

与原有的研究生《光纤传感技术》相比，新的课程内容和标准进行了大幅度的改革，突出“系统应用”，大幅度削减了光纤传感基础知识，而是以四大类典型光纤传感系统为授课重点。课程中的四大类典型光纤传感系统选取了目前应用最为广泛或技术难度较高的光纤水听器系统、光纤陀螺系统、分布式光纤传感系统和光纤光栅传感系统，针对每一类对其应用背景、系统组成、系统指标和关键技术进行详细分析，构建课本知识到实际工程应用的技术桥梁。在讲解完每一类典型光纤传感系统后，特别设计了光纤传感系统设计环节，要求学员以分组的形式，根据特定应用背景设计出光纤传感系统，阐明系统特色和关键技术。

课程调整所面临的最大难题在于：学习本课程的研究生既包括本校本专业的学员，也包括来自于外院和外校的本科非光信息专业的学员。对于前者，通过本科生阶段的《光纤传感技术》学习已经具备了良好的基础，在新课程学习中应尽量避免内容重复；对于后者，直接学习典型光纤传感系统中的关键技术存在一定难度，需要对光纤传感基础知识进行介绍。为此，在研究生的《光纤传感系统》课程中，首先设定了3个课时对光纤传感基础知识进行回顾和总结，并点明各部分基础知识所涉及的参考书。同时由于使用了与本科生《光纤传感技术》课程同一系列的教材，为解决学员基础参差不齐的难题提供了有效的解决办法，而面向全校的《基于虚拟仪器的光纤传感技术》则为毕业于本校其他专业的研究生学员提供了学习本课程的基础。

（三）军事指挥类本科生的《光纤传感技术》课程以“完善学员知识结构为重点，突出军事应用特色为亮点”，为学员提供装备相关知识基础

课程针对军事指挥类本科学员培训的主要目标，将军事指挥类本科生《光纤传感技术》课程的主要任务确定为拓展军事指挥类学员的知识面，完善知识结构，了解最新军用传感器技术，一方面可以充分发挥我军现有装备的作战效能，另一方面可以掌握外军作战手段，有效克敌制胜。课程简化了基础知识部分内容，扩充了典型光纤传感部分，特别是注重光纤水听器、光纤陀螺和分布式光纤传感器在军事中的应用，并拓展光纤水听器在声纳系统应用中的相关知识，让学员在进行工作岗位后可以更快的掌握相关装备的使用和维护。

（四）面向研究生的《虚拟光纤传感技术》以“引导学员自主学习为核心，激发学员独立思考为亮点”

课程以光纤传感技术中相干检测技术为背景，以虚拟仪器技术为手段，通过一个具体实例为研讨对象，让学员一边学习新知识，一边动手做实验，一边学会自主学习。课程首先在学员高中已经具备的光学知识基础上讲解干涉型光纤传感的基本内容，然后引导学员自习LabVIEW虚拟仪器语言，通过研讨学习心得让学员掌握LabVIEW基本知识，最后要求学员利用所学知识和工具完成光纤传感中一个典型信号处理问题。整个课程以学员自己动手动脑为主，精选了一门易学好用的虚拟仪器语言LabVIEW，使学员可以在四到五次课的时间内学会，并结合光纤传感技术系列课程的建设成果，让学员可以在课程上针对典型的干涉型光纤传感系统进行信号处理实验，一方面提升了学员的学习的积极性，另一方面加强了学员的自信心，并为学员以后的创新实践奠定了基础。

三、教学方法与手段改革

在教学过程中，在教学方法和教学手段上也进行了一系列的改革，使用了大量的新技术、新手段、和新的教学方式。主要体现在以下几个方面：

（一）充分运用科研成果和虚拟仪器技术的特点，增加了大量的课堂演示实验环节

在光纤传感技术系列课程中引入堂演示实验，对于加深学员对知识的理解效果最为明显。在课程建设中，充分利用所在实验室在光纤传感技术研究上的优势，在每门课程讲授中都加入了1～2个课堂演示实验。

与专门的实验课不同，课堂演示实验的侧重点在实验效果上，通常都是完整的光纤系统，包括光源、光传输链路、光接收模块、显示模块等等，并注重演示效果。以往的光纤系统虽然功能性明显，但结构复杂。近年来，课题组所在的实验室在光纤传感系统的工程可靠性研究上投入了大量精力，一些便携式高可靠性的光纤传感集成模块在科研项目中得到广泛应用；这些科研成果的突破使得在课堂上演示一些复杂的光纤传感系统实验成为可能[5]。另一方面，由于虚拟仪器技术在光纤传感技术中的广泛应用，复杂的信号解调可以通过电脑直观的显示在课堂多媒体系统中，“所见即所得”的方式使得课堂演示实验的效果非常直观和可信。以研究生的《光纤传感系统》课程为例，我们选取了光纤光栅应变系统作为课堂演示实验内容。在硬件上，这套系统的光收发模块为集成化的便携式光纤光栅解调仪，采用法兰盘对接可串接起多个光纤传感阵列；而复杂的信号解调系统则全部通过虚拟仪器技术在电脑上软件实现，解调结果直接显示在电脑程序界面中。通过这套系统，我们完整地演示了光纤传感器设计、光纤传输链路构成、复用光纤传感网络、和光纤传感信号解调等多项知识内容，学员普遍反映通过这一演示实验对光纤传感系统有了清晰深刻的了解。

（二）借鉴国外大学相关专业的教学模式，在考核中引入小型综合设计环节，充分考察学员的综合素质

课题组的两位教员具有国外留学的经历，在课程建设中充分参考国外大学在光纤传感技术课程的教学方法，在作业环节引入小型光纤传感综合设计内容，并将其作为课程考核评价标准的一部分，实现对学员综合素质的培养和考核评价。

光纤传感综合设计参考了香港理工大学和英国南安普顿大学的教学经验，以对知识的综合运用为主要考察目标。本科生光纤传感技术采用适当的综合设计题目难度，重视对知识融会贯通和综合应用能力的考察，一般在授课过程中只进行1次；研究生除了要求基础知识综合应用能力，更注重对实际工程应用系统的完整性和前沿问题的拓展性考察[6]，一般则开设2～3次。综合设计作业由学员分组完成，小组内成员根据资料调研、方案设计、报告撰写等工作内容的不同进行明确分工，并推选一位组员参加课堂专门设置答辩环节。

（三）针对授课内容的层次划分和授课对象的学习特点，科学合理设置研讨专题

研讨式教学我校近年来大力推广的教学方式之一。由于光纤传感技术具有经典与前沿相结合、理论与工程应用相结合的特点，在系列课程建设中，课题组在原有研究生《光纤传感技术》的研讨式专题内容基础上，进行了深入的思考和大胆的拓展，将课程中的研讨专题划分为三大类：经典理论知识的研讨、前沿研究的研讨和学位论文研究方法的研讨。

经典理论知识的研讨要求学员在授课之前对相关内容进行预习，并在课堂上对全体学员讲解自己对该问题的理解。如在进行“光纤干涉仪传感系统”的授课时，要求学员预习时弄明白两个问题：什么是随机相位衰落？什么是偏振诱导信号衰落？进行研讨时不要求学员对这两个问题进行深入剖析，但要求学员用精炼的语言阐明问题的物理含义。学员普遍认为这种研讨专题不是特别复杂，通过预习教材即可，但大部分学员会准备PPT课件，且自愿上讲台讲述的学员一般在以往的学习过程中接触过与该专题相关的研究工作，因此在其课件上还会加入自己以往的工作、自己对该问题的扩展认知及自己尚未弄明白的问题等。这种教学效果是在深入了解学员的知识积累基础上，通过巧妙设置研讨专题取得的。

前沿研究的研讨要求学员进行大量的资料查阅，特别是光纤传感前沿研究课题的查阅。对于某一个问题，由于课堂讲授的时间受限或者教材中没有系统的描述，对该问题的课堂讲授可能不够全面，在这种情况下，教师会提供相关信息，要求学员查阅该文献并进行精读，然后在课堂上进行研讨。这种研讨专题分为两种：一种是教师提供明确的检索信息，由学员查阅到该文献后精度文献，分析文献的精华及不足；另一种则是教师提供所要解决的问题，由学员对该问题进行解读，提炼关键检索信息，进行检索后，对检索文献进行初步分析，总结该问题的研究现状。学员反映这种研讨专题的难度稍大于第一种，但一般稍花时间都能解决。

学位论文研究方法的研讨目的在于：无论是本科生还是研究生，在学习完相应的光纤传感技术课程后马上就要投入到学位论文工作中。通过对这类问题的研讨，学员逐渐掌握了在未来从事学位论文研究中必须具备的研究方法，这类的研讨主要培养学员的仿真计算能力和光纤传感系统的设计能力。例如在讲授完光纤光栅的基本理论之后，学员反映耦合模理论的公式很繁琐，难以一眼看出其中的物理特性，为此，我们安排了相关理论的仿真计算研讨，要求学员根据课堂讲授的公式进行理论仿真，计算光纤光栅反射光谱，并绘制带宽、反射率等关键参数随着光栅参数的变化曲线。学员在课堂研讨时要讲述自己的关键参数设置和仿真结果。通过这种研讨方式，学员对光纤光栅的反射谱特性建立了深入的了解，效果远远好于课堂直接讲授相关结论。

根据光纤传感课程层次划分，不同的光纤传感技术课程对三种研讨专题的应用程度也不相同，本科生的光纤传感技术课程以经典理论知识的研讨为主，并设置1～2次前沿研究的研讨；研究生的光纤传感技术课程则以前沿研究的研讨专题和学位论文研究方法的研讨专题为主，对特别重要的概念设置少量经典理论知识的研讨专题。

四、以光纤传感技术课程为支撑的创新型人才培养

光纤传感技术的应用范围极广，一套实用的光纤传感系统可以很庞大很复杂，也可以很小巧灵活。针对这一特点，课题组教师在学院本科生和研究生的各项教学活动中，积极开展与光纤传感技术相关的各项活动。

针对本科生的光纤传感技术系列课程，在授课结束后，在光电设计大赛、毕业设计等教学活动中开设了大量关于光纤传感技术应用的课题，引起学员浓厚的兴趣和广泛的参与热情。一方面，参与光纤传感技术相关的本科毕业设计学员数量大幅度提高。以技术类本科毕业设计为例，2013、2014年参与光纤传感技术相关课题的学生均达到光信息专业学员总数的50%以上。另一方面，学员完成课题的质量也得到大幅度提升，近年来有8名本科生获得学校创新资助，从侧面反映出光纤传感技术课程教学效果的日渐提高。这些竞赛成果也作为评价授课效果的标准之一，并将学员在课外延拓活动中的效果和意见及时反馈到教学过程中[3，4]。

针对研究生的光纤传感技术系列课程，一方面鼓励学员在课程学习的基础上努力拓展研究深度，在光纤传感研究领域不断创新。在课题组所在实验室所培养的研究生中，有3名研究生获得学校创新资助，1名研究生获得湖南省创新资助，其课题都是光纤传感领域的研究重点和难点。此外还有5项研究生参与申请的光纤传感技术相关专利；另一方面，鼓励学员积极参与到与光纤传感技术相关的科研项目中，在实际工程环境中对课程知识进行融会贯通。目前在光纤信息专业的毕业研究生中，参加过光纤传感相关的湖上或海上试验的学员达到95%以上，为其真正走向工作岗位后充分适应部队对光纤传感技术人才的需要积累了宝贵的经验。

五、高素质教师队伍建设

作为教育的重要媒介，教师是活动中的主要因素。教员整体素质的高低，直接影响着教学质量的高低。因此，建立一支教学水平高、结构合理的高素质师资队伍显得尤为重要。

（一）从教学和科研两个方面锤炼教师队伍，使教师的教学水平和科研能力相互促进共同提高

科学研究是教师工作的重要组成部分，是提高教学水平的重要手段，也是提高自身素质的重要途径。对于光纤传感技术系列课程而言，学即能致用是其重要特点之一，教学和科研的相互促进作用尤为明显。课题组全部教员均参加了多个重大科研项目。通过重大科研项目的历练，教员的学术水平得到很大的提高，一方面教员接触了学术前沿，开拓了学术视野，经历了科研实践，在课堂教学中自然会将科研最新成果、专业发展动向带进课堂，另一方面，教员在参与重大科研项目时对光纤传感的技术内容有了更加深刻的认知，对于在课堂上清楚明白的讲好各个知识点至关重要。同时，通过教学活动中对课程内容的反复推敲及与学员之间展开的研讨交流，可以加深教员对技术环节的领悟，甚至激发教员的灵感。通过在科研和教学两个方面同时锤炼，促进教师知识更新和自身进步，提高教师的创新能力和教学质量，将真正做到科研教学一体化。

（二）鼓励教员进行对外交流，充分借鉴国内外同类专业课程的教学经验

课题组有两名教员具有国（境）外留学经历，其他教员也多次参加国内外的学术活动和教学活动交流，在课程建设过程中充分利用了这一优势。在教员已经带回的国外大学教学经验的基础上，鼓励教员在回到学校后仍然定期与留学单位交流，及时获取留学单位最新的课程设置和教学安排信息，并通过交流，不断补充自身的不足，更新课程内容，丰富教学手段，提高自身教学水平。在对外学术活动交流中，有意识的了解其他院校同类专业课程的教学情况，对于感兴趣的单位积极主动与对方联系进行实际考察。活跃的对外交流活动极大地激发了教师的教学热情，并不断提高其教学水平。

（三）加强青年教师的教学技能培训

目前，课题组教员是一支相对年轻化的队伍，很多才刚刚博士毕业，青年教师充满热情，思想活跃，比较了解学员的思想，与学员进行交流方面具有优势。但是，他们大多没有经过系统的教学技能训练，普遍缺乏教学经验。为了使青年教师尽快掌握教学技能，提高业务能力与水平，课题组指定认真负责、教学经验丰富的老教师担当青年教师的导师，对青年教师实行“一对一”的“传、帮、带”指导，指导青年教师备课、编写教案；采取措施督促教员投入足够的精力。教员上岗前，必须经过教研室、系所、学院三级试讲，每次授课必须重新编写教案、编写课件、编制教学日历；在教学过程中，教学指导委员会、督导组、院系领导经常性听查课，督促教学水平的提高。

通过从科研和教学两方面锤炼教学队伍，课题组教员自身水平得到了大大提高，多次在全军和全校获得教学优秀奖，其中获军队院校育才奖1人次，优秀研究生导师奖3次，校本科“研究型”教学比赛三等奖1人次，校研究生教学优秀三等奖1人次，教员在国内教学期刊上发表高水平教学论文10篇，课题组已经成为了一支能独立承担授课任务的高水平教师队伍。

参考文献：

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[4]胡昌奎，杨应平，黎敏，刘辛，易迎彦，光电信息类专业光纤系列课程教学内容与课程体系的改革[J].高等理科教育，2008，（2）：16-18.

光纤传感技术论文篇2

Meiliguli

（Xinjiang Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power Research，Urumqi 830049，China）

摘要： 本文分析了新一代光纤光栅传感的基本原理，在坝体模拟槽试验中具体验证了波长变化与温度的关系，研究用于大坝监测的光纤光栅传感器的系统构成，根据其在现实中的应用成功地大规模布设了光栅应变传感器与温度传感器；监测结果表明光纤Bragg光栅传感器监测系统具有良好的稳定性与耐久性，为建筑结构的健康诊断提供可靠的依据，综合以上方面简要的论述了新一代光纤在大坝监测中的应用。

Abstract: This paper analyzed the basic principle of fiber grating sensor with new generation, and the relation between wavelengths change and temperature in dam simulated slot experiment was verified specifically. The research was used for system components of fiber grating sensor of dam monitoring, and grating strain sensors and temperature sensors were successfully set up, according to its application in reality. The monitoring results show that fiber Bragg grating sensor monitoring system has a good stability and durability, which provide reliable basis for health diagnosis of building structure. Review of the above, the application of optical fiber with new generation in dam monitoring was discussed.

关键词： 光纤光栅传感器 大坝监测 应变监测

Key words: optical fiber grating sensors；dam monitoring；strain monitoring

中图分类号：[TN913.7]文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）26-0135-02

0引言

大坝与人民的日常生活具有息息相关的关系，同时，它更在国民经济发展中占据着举足轻重的地位。设想一下：一个庞大的大坝一旦意外失事,因此所造成的人民生命财产安全的损失是不可想像的。因而，大坝的施工具有投资大、效益高、风险大等特点，本文对光纤Bragg光栅的温度应变传感特性进行了简要的分析和试验研究。

1光纤光栅应变传感特性

光纤Bragg光栅传感技术是利用光纤内部传入的光栅反射或是透射波长光谱来进行对其的检测，从而来完成将要被测结构的应变和温度量值的绝对测量变化值。光栅周期和反向耦合模的有效折射率的存在是决定光纤光栅的反射或透射波长光谱的主要因素，因此，凡是能引起光栅周期和反向耦合模的有效折射率发生改变的因素都将造成反射或透射波长的转变。因此即有：ΔλB=2neff。所有能引起光栅Bragg波长改变的内外界因素中,最直接的影响因素应属应变参量的改变。因为无论是对光栅进行那个方向的调整，都必然会导致光栅周期的长短变化。并且光纤本身所具有的性质也会使得有效折射率也随外界应力状态的变化而发生改变，该性质为采用光纤Bragg光栅制成光纤应变传感器提供了最本质的物理性质的理论参考标准。

2新一代光纤传感系统的长期稳定性的要求

光纤传感系统早已在上个世纪就开始应用于国内外医学、物理学、化工、军事和工程各个行业，但是直到本世纪初才在我国的大坝工程上开始较为专业的应用研究，大坝工程的重要性和特殊性决定了它的发展。首先，大坝工程对于百年大计的战略具有这巨大的意义，大坝的安全和人民的生命财产安全休戚相关。其次，同其他领域的同类工程相比较，大坝监测工程监测的时段较久、工作条件十分恶劣，因此，监测系统的长期稳定性要求远远超过了其他各领域的同类工程，这些都是要求新一代光纤传感系统的长期稳定的外表条件。客观地评价，从事大坝监测的专业人员早已在密切地关注着光纤传感系统在其他领域和本领域试验工程实践的应用情况，光纤传感系统可不可以在大坝监测领域特别是大坝监测自动化领域成为一项更新换代的新技术，必须首先考察的重要指标就是技术性能的长期稳定性。根据是否可以利用光纤作调制器为分类依据，光纤传感系统可分为两大类，一类是以点式传感器耦合到一根或多根光纤总线上组成的准分布式光纤传感系统传光型系统；另一类是光纤既作为传感器又作为传输设备的分布式光纤传感系统传感型系统。我们可以明显的看到，传感器性能的长期稳定性是光纤传感领域必须解决的关键课题。经过多年研究语实验，光纤传感器调制的信号已经从早期的强度型、干涉型发展到目前普遍采用的布拉格光栅型。

3光纤光栅温度传感渗漏对大坝检测的影响

光纤光栅温度传感试验出现渗漏的水库大坝，周边出现的问题会导致该处的水通过坝体表面的缝隙渗透到大坝内部，同时在坝体内他们会沿着缝隙进行流动。水在流动的过程之中，此处坝体的温度将会随其发生改变，通过对光纤光栅温度传感器检测出的这个温度变化，我们即可判断出渗漏点发生的位置加以应用。利用多个光纤光栅温度传感器有可能构成分布传感网络，因此可以实现对整个大坝周边缝渗流监测。我们可以从试验结果看出,当大坝发生渗流时，由于温度变化会导致使其中心波长与温度的相关系数增长，但是并没有迟滞现象的发生，相反地，它们却存在很好的线性理论关系。这也正证明了光纤Bragg光栅是一种十分理想的温度传感元，这种结果与理论分析完美的达到了统一。传感器的一致性良好的这种性质，非常有利于对大面积的贴片进行测量以及对实现工程结构的测量。将光纤光栅传感器安装在水槽的下方，水槽尽量采用坝体附近的土石，以便避免外界因素对实验的干扰，更接近实际效果。在模拟试验过程中，我们选择三个不同的渗流点进行二次试水试验，然后观察渗流点处水的前后温度变化过程，将试验数据记录于一根单模光纤上不同位置Bragg光栅所反映出来的温度变化曲线。比较典型的光纤光栅传感系统网络，因为光纤光栅利用波长编码的方式从而实现传感测量的原因，传感网络可采用光开关来对各个通道进行切换，这种方式的开关使各通道互相没有干扰。各个通道可以采用相同波长的光纤光栅传感器阵列，因此使得频带资源得到更有效的使用。当传感器阵列中某个传感器处的监测量某一因素发生改变时，该传感器的中心波长就会灵敏性地发生变化，这种波长的微小变化被采样探测，同时系统将所采样的数据转倒到信号处理中心进行计算分析，从而我们可得到传感器的相关参变量和相应的应变、温度等测量结果。

4系统的组成

此套系统主要是由光纤传感器传播系统、信号传输与采集系统、数据处理与监测系统三部分来构成的。光纤传感器将其测量到的坝体实时状态信号经过信号转倒与采集系统传递到监测中心，在监测中心对测量结果进行相应的处理和判断，以此对坝体的实体健康情况进行评估。如果监测到的重要的健康参数超过于其初步设定的阀值，那监测系统及时地利用信息通知相关的管理机构，以便采取相应的应对措施。

5光纤光栅传感器技术在混凝土面板堆石坝的应用

混凝土面板堆石坝的施工也采用了光纤光栅传感器技术，由于是应用的起始阶段，必然会存在很多工程技术问题，要寻求并解决这些世界性的难题，我们就必须投入更多的人力和经历，通过采用大量的先进技术和工艺，大幅度的提高运作水平。在大坝的安全监测方面，经过综合比较和复杂的分析最终确定采用光纤光栅渗流温度面板应变监测系统。这是一套完整的、具有现代化监测和管理水平的安全监测系统，它能更有效的加强对大坝事故检测及及时缓解措施，充分的体现运行的有效保障和及时对其进行准确监控的特点。

参考文献：

光纤传感技术论文篇3

本文通过实验分析了多模光纤带宽对分布式光纤测温系统空间分辨率的影响。实验结果表明，多模光纤带宽处于500MHz*Km至6000MHz*Km范围内时，测温系统空间分辨率呈现先升高，后下降的趋势。为进一步通过优化光纤指标来提高分布式光纤测温系统的系统指标提供了数据支持。

【关键词】分布式光纤测温系统 光纤带宽 空间分辨率

1 引言

传统温度传感器由于测量原理的限制，易受外界环境，特别是电磁干扰的影响，无法长时间连续测量。使用光纤光栅等新型点式光学温度传感器，由于成本的限制，无法实现真正的分布式测量，限制了其应用范围。

近年来，使用普通光纤作为传感介质的新型光学传感器由于具有本征无源，抗电磁干扰，响应快速等特点，逐步取代了传统的探测方法，成为研究的热点。

同时，分布式光纤测温系统受激光脉冲在光纤中的展宽等因素的影响，空间分辨率指标无法得到有效提升。传统的方式是通过压缩入射光脉冲宽度，提高脉冲光峰值功率的方式来提高系统的空间分辨率，但此方式实现难度较高，并不能无限压缩光脉冲宽度，并且随光脉冲宽度的降低，加工难度和成本也随之大大提高，限制了系统的实际应用效果和应用范围。

本文在前期研究的基础上，利用已有的分布式光纤测温系统，展开了相关实验研究。测量了多种不同带宽光缆对应空间分辨率指标，并做了相关数据分析。试验结果表明：光纤的带宽对分布式光纤测温系统空间分辨率有较大影响，并在500MHz*km至6000MHz*Km范围内呈现先升高后降低的趋势。

2 实验原理与系统

系统基本架构如图1所示；

系统的工作过程如下：分布式光纤温度传感系统工作时，在同步控制单元的控制下，脉冲驱动电路产生电流脉冲，该脉冲驱动半导体激光二极管产生的光脉冲注入到激光器尾纤中，从激光器尾纤输出的光脉冲经过光路再进入传感光纤。光在光纤中发生散射后，其携带有温度信息的拉曼后向散射光返回到波分复用系统，波分复用系统不但可以将发射的光直接耦合进光纤，而且可以将散射回的不同于发射波长的斯托克斯和反斯托克斯光分离后送入两个光电探测器。光电探测器将光信号转换成电流信号，电流信号再被放大电路转换成电压信号并且放大后送入采集卡。采集卡将信号数字化后送入上位机，按照特定的算法计算出温度信息。

在上述系统的基础上，采用不同带宽的50/125μm多模探测光缆作为测试对象，验证了系统空间分辨率变化情况。

3 实验结果

实验中，共测试了不同带宽的多模50/125μm的光纤对应的系统空间分辨率，光纤及相关实验参数如表1。

注：空间分辨率恶化系数的计算方法如下：

空间分辨率恶化系数=空间分辨率绝对变化量/光纤长度

根据上述数据可以得知，多模光纤带宽与系统空间分辨率的关系如图2所示。

从图中可以看出，系统空间分辨率在500MHz*km至6000MHz*Km范围内呈现先变好后变差的趋势，并在1600MHz*Km左右达到最优。

4 理论分析

在分布式光纤测温系统中，系统的空间分辨率主要受光脉冲宽度、电路带宽、光电探测器响应时间等因素制约，在其它因素确定的条件下，光脉冲宽度称为影响空间分辨率的重要因素。光脉冲在传感光纤中传输，受到色散的影响，会出现不同程度的展宽效应。具体而言，在多模光纤中，光纤材料、波导结构和多种模式的光脉冲信号在光纤中传输，色度色散和模间色散是引起光脉冲展宽的主要因素。

其中分别是模式色散和波导色散。模式色散一般存在与多模光纤中，由于在多模光纤中同时存在多个模式，不同模式沿光纤轴向的传播速度不同，到达终端时就有先后，出现时延差，从而引起脉冲展宽。时延差越大，色散就越严重。而波导色散取决于光纤的折射率剖面结构。

两种色散共同决定了光脉冲展宽的程度，而光纤的3dB带宽与脉冲宽度δ是从不同角度描述光纤色散特性的两个参数，因而它们之间存在一定的关系。

光纤的带宽越宽，脉冲展宽约小，但这只是理论公式，通过实验数据表明，当光纤带宽小于1600MHz*Km时，满足该公式的关系，当超过该值时，脉冲展宽随带宽增加而增加。

5 结论

本文通过对不同带宽光缆对分布式光纤测温系统空间分辨率的影响进行测试，确认了在一定范围内光纤带宽指标影响系统空间分辨率的变化规律，并进行了理论分析。为进一步通过优化光纤指标来提高分布式光纤测温系统的系统指标提供了数据及理论支持。

参考文献

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[9]黎敏，廖延彪.光纤传感器及其应用技术[M].武汉：武汉大学出版社，2008：9-10.

[10]宋扬，王丽.光纤色散效应对脉冲展宽的影响[J].光通信技术，2008 Vol 32，No.6.

作者简介

王建强（1966-），男，现为威海北洋光电信息技术股份公司工程师，主要从事光纤传感方面的研究。

夏俊玲（1969-），女，现为威海北洋光电信息技术股份公司工程师，主要从事光纤传感方面的研究。

史振国（1981-），男，现为威海北洋光电信息技术股份公司工程师，主要从事光纤传感方面的研究。

光纤传感技术论文篇4

关键词：海洋环境；海洋工程；光纤传感技术；原理

一、光纤水听器在海洋工程中的应用

核潜艇技术与潜射导弹技术在不断进步，使用产生的噪音也越来越低，压电声纳的灵敏度已经邻近极限，探潜能力具有一定的局限性。以美国为主的西方国家，对光纤水听器进行了精细的研究，并且取得了一定的成果，对于我国的海洋工程具有借鉴意义[1]。国内投资大量资金，成立专门的研究小组进行研究，目前还处于初级阶段。光纤光栅传感器不仅具有普通传感器的功能，还能够根据光波波长的调制机理，不被光源强度的强弱影响。采用特定的技术，可以在一根光纤上串接多个光纤光栅，从而去对陈列式的水听声纳传感进行检测。

（一）光纤光栅水听器的传感原理。光纤布拉格光栅水听声纳，采用的是FBG传感特性设计，其属于水中声波传感器。其传感原理是，在特殊的声压敏感器上面安装FBG，声压敏感器会收集水中的声波作用于FBG，导致其发生应变，FBG的周期会被改变中心波长会发生偏移。光纤光栅调节系统能够精准的测算出波长的变化量，从而去确定水声信号的变化量。光源会发出带宽比较宽的光波，进入到光纤光栅内，其会将特定波长的光波进行反射，主要是由于其具有波长选择性，只要检测反射光的波长偏移量即可完成传感过程。

（二）光纤光栅水听器系统介绍。如下图1所示，是非平衡M-Z干涉解调光纤光栅水听器的基本构造图。其主要是采用非平衡的M-Z干涉结构，使得传感光栅中的中心波L变化量转换成为相位的变化值，再进行调解干涉输出的光波相位信号，从而去得到波长的变化，提升系统探测的灵敏度。图1中光源发出的宽带光，通过环行器进入到传感光栅，再通过光栅反射的窄带光波进入到非平衡干涉结构，在3X3光纤耦合器形成干涉。

（三）光纤光栅水听器技术总结。为使得光纤光栅水听器具有机械与光学的稳定性，需要对光纤光栅进行环境试验。试验的过程是，将其放在温度为90摄氏度，相对湿度为90%的恒温恒湿温度箱中2000h；并在-40～85℃的温度中循环2000次，看其光学性能的变化。若是其光学性能无明显变化，则证明光纤光栅水听器具有机械与光学的稳定性。判断光纤光栅的使用寿命，可以采用加速老化的办法，根据可以预测光纤光栅反射以及透射率随时间环境因素的变化关系去进行判断。光纤光栅水听器使用的海底环境相对复杂，需要采用适合环境的封装材料与光纤光栅粘结材料。利用多参量同时测量的方式，能够消除光纤光栅对温度、应力等的交叉敏感性。可以采用SLED光源去扩大光纤光栅水听器的探测范围，扩大光源的输出功率，提高检测信号的强度。光纤光栅水听器的敏感度，主要是敏感材料的性能来决定，同时也受波长调节系统的灵敏度影响。

二、水位传感技术与光纤振动

水位传感技术与光纤振动，主要是应用于海底地震海啸监测。海底地震监测，属于超低频、大移位的振动测量，并且测量区域较为复杂，需要长期的进行监测，过程难度较大，构建海底网络监测的成本巨大，维护需要耗费的成本较高。但若是海底地震海啸监测系统一旦建成，会给人类带来不可估量的利益。光学式地震计与光学式水位计利用的是光纤作为传播介质，用其建造的海底地震海啸监测网络，比其它的地震波检测仪器功能更加强大。

（一）光纤干涉原理。利用光纤干涉原理建成的传感器，是目前我国最为先进的测量技术之一，其具有超高的准确性，能够对海底复杂的环境与海底地震进行全面的监测。全光纤观测网络的构成，能够满足海底监测的需求，普遍在国际上应用，并且在不断研发中。光纤干涉式检波器，主要是利用弹性膜片与弹性顺变柱。海底环境的振动变化，或者是压力会导致膜片与顺变柱变形，使得膜片与顺变柱耦合的光纤折射率与长度发生改变，从而引起干涉光强度的改变。

（二）光纤干涉检波系统。光纤干涉检波系统的工作原理是：光源发出具有强制信号的连续光，通过长距离的传输作用于海底传感单元内部2X2耦合器；再分成两道光束进入到光纤干涉臂。若是检波器对于外界的地震信号进行响应，干涉臂的反馈信号中则会含有振动信息的振动信号；此信号再通过长距离的传输，返回到主机内部的光电探测器，经过放大之后，生成电信号由于调制信号，再传递给数据收集卡，从而转化为数字信息；经过分析解调之后得到最终的振频，以及相关的原始数据。

三、结论

综上所述，光纤水听器在海洋工程中的应用，主要包括光纤光栅水听器的传感原理，光纤光栅水听器系统介绍，以及光纤光栅水听器技术总结。水位传感技术与光纤振动，通过光纤干涉原理建成的传感器，能够实现对海底地震海啸的监测。

光纤传感技术论文篇5

关键词：三峡工程 温度 光纤传感 监测

几乎所有的混凝土坝施工期间都要采取措施进行温度控制，减小坝体内温度梯度，防止裂缝，确保大坝安全，及时和准确地获得大坝混凝土结构内部的温度场信息是大体积混凝土施工控制的关键。大坝运行期间，温度荷载是引起坝体变形和应力变化的主要荷载之一，因此对坝体运行期间温度场的监测也是安全监测的重要内容之一。传统坝体温度测量一般使用点式温度计，以热电偶式温度计为例，这种温度计本身具有较高的精度，但就工程实际应用而言，尚有许多不足，一支温度计只可测量一个点的温度，对工作的环境要求严，抗干扰能力差，安装复杂干扰施工，尤其是传统的温度计信息量太少，很难掌握整个坝体内部温度场的变化。作者经过近三年的论证和准备，率先引进了分布式光纤测温系统，并在三峡工程左厂14坝段大体积常态混凝土中进行了分布式光纤温度传感监测技术现场试验研究，实现了常态大体积混凝土浇筑施工过程温度场的实时监测，本文介绍其中的部分成果。

1 光纤温度传感方法发展与应用情况

加拿大学者Measures[1]等在加拿大Calgary一座两跨碳纤维钢筋混凝土预应力桥梁上，埋设了5套4通道Bragg光栅光纤传感系统，在桥梁建造过程中和使用期内检测其内部温度和应变。意大利学者Gusmeroli[2]等报道了他们将F-P光纤干涉传感器埋入一个5m长的混凝土梁中检测其热膨胀。瑞士皇家技术学院Smart公司的产品采用Brillouin散射光的分布式温度测量系统，它不但需要从光纤的一端输入脉冲激光光源，另一端输入连续激光光源，而且需要采取措施来分离温度效应的机械应变效应，所以其工程应用不是最佳选择。英国York Sensors Limited是国际上首家开发光纤分布式测温系统并使之商品化的公司，已经有20多年的历史，并一直在该技术领域中保持国际领先地位。通过测量发射光和接收定点反射光的时间差及光在光纤中的传播速度可精确地确定发生反射的位置(定位)，利用反射光中Raman反射光的温度依存性质，可以计算出发生反射的点的温度值。德国GTC公司同慕尼黑科技大学[3]利用York Sensors Limited的产品，在土耳其Birecik混凝土坝、约旦Wala坝等工程都做了应用性的研究工作。清华大学同慕尼黑科技大学在新疆石门子工程也做了较有意义的工作。成都电子科技大学光纤国家实验室与龙羊峡、刘家峡水电厂等合作，成功地开发了大型水、火发电机组的光纤温度传感器等多项传感技术，但都属点式测量。重庆大学光电子工程学院20世纪90年代初进行过光纤分布式测温技术的研究，取得了重要成果。天津大学[4]从传感器的结构特点和材料的物性系数出发，在理论上证明了光纤温度与Brillouin频移量之间存在线性关系。中国计量学院光电子技术研究所[5]研制了一种由分布式光纤温度传感器组成的新型在线自动温度检测系统，最近应用于煤矿火灾报警。北京航空航天大学[6]从光学的角度出发，分析了基于Raman反射的光纤分布式测温系统的空间分辨力理论极限及影响因素。宁波振东光电子有限公司与秦山核电厂合作，将分布式光纤测温系统用于电缆温度监控。

2 分布式光纤温度传感器的基本原理

向光纤发射一束脉冲光，该脉冲光会以略低于真空中的光速的速度向前传播，同时向四周发射散射光。散射光的一部分又会沿光纤返回到入射端，测量发入射光和反射光之间的时间差T，则发射散射光的位置距入射端的距离X为?

(1)

式中：C为光纤中的光速，C=C0/n，C0为真空的光速；n为光纤的折射率。?

反射回入射端的反射光中，有一种称做Raman散射光。该Raman散射光含有两种成份：Stokes和Anti tokes光。其中Stokes光与温度无关，而Anti-Stokes光的强度则随温度变化。Anti-Stokes与Stokes之比和温度之间关系可用下式表示：

(2)

式中：las为Anti-Stokes光；ls为Stokes光；a为温度相关系数；h为普郎克系数(J·s)；c为真空中的光速(m/s)；v为拉曼平移量(m-l)；k为鲍尔次曼常数(J/k)；t为绝对温度值。

根据式(2)及实测Stokes-Anti-Stokes光之比可计算出温度值为：

(3)

光纤测温方式，直接测量的是Raman反射光中两种成分之比，与绝对值无关，因此既使光纤随时间老化，沿程光损失增加，仍可消除光损失的影响，从而可一直保证测温精度。

3 分布式光纤传感监测混凝土结构温度场

3.1 传感光缆与网络设计 左厂14坝段是三峡二期工程的最后一个大块体浇筑坝段，曾是塔带机的部位，块体仓面尺寸为32m×20m，仓面高程140.56m，薄层浇筑层厚1.5m，并在底部布置有蛇形冷却水管。仓面混凝土标号、骨料级配分区及设计的光纤传感网络如图1所示。传感光缆选用50μm的多模单芯不锈钢铠装光缆，直径3mm，它既保证了检测结果为纯混凝土温度值，又防止了混凝土浇筑过程对传感光缆的损伤，坝体内部共埋设传感光缆81.1m。

3.2 连接与检测 连接与检测由DTS Manager主控程序实现，包括PC与DTS的连接、系统参数装载、命令发送、图形显示及存储、区域显示、报警显示等。其中Zone Generator可产生一个批处理文件，通过命令文件可以设置关注区域、报警舆值。

图1 光纤传感网络

3.3 中间成果及分析 光纤传感网络的埋设于4月2日完成，随即进行了检测，为了掌握坝块内部混凝土水化热实际的释放过程，一周内每天检测3次，分别选择在不同的环境温度下进行。混凝土浇筑后的3d(21:55)，坝块内部上游面温度达到最高值，传感点号115，网络定点位置118.975m，温度峰值为34.75℃，此时，实测光纤传感网络温度分布曲线如图2所示。其中：AB为光纤测温系统机内光纤段，BC为机外尾纤，CD为接线盒至进坝口的不锈钢铠装传输光缆，D点为传感网络进坝口，之后的不锈钢铠装光缆既传感又传输，随时可得到80个点的温度值。为验证检测成果的准确性，对进坝口D点前的AB、BC、CD段用常规温度计进行了测量，误差仅为0.1℃。由图1知，从113点开始，仓面底部没有布置蛇形冷却水管，115点的位置离冷却水管最远，距上游表面1.5m，这是造成图2FG段(113点～115点)在整个水化热释放过程中属最高温度分布区的重要原因之一。4d后，峰值温度开始逐渐下降，4月30日后趋于稳定，量值在2.4～25℃。

图2 最高温度时刻的光纤传感网络温度分布曲线

图3 第二峰值温度时刻光纤传感网络温度分布曲线

坝块内部下游面是第二个温度高值区(DE段，即78点～88点)，温度达到最高值是混凝土浇筑后的第5d(10:21)，峰值为30.4℃，网络定点位置87.451m此时，实测光纤传感网络温度分布曲线如图3所示。这一区域的仓面底部同样没有布置蛇形冷却水管，不过离冷却水管的距离只有1m；2个温度高值区的混凝土标号均为250，其他区域为150，这是造成2个温度高值区的又一重要原因；DE段4级骨料级配，而FG段3级骨料级配，这也促成了FG段最高温度分布区的形成。6d后，峰值温度开始逐渐下降，4月22日后趋于稳定，量值在23～25℃。

图4 115、80、100测点温度过程线

将实测上游面115点的温度过程线、下游面88点的温度过程线和传感网络内部中心100点的温度过程线绘于图4中，显见上游面115点温度过程线形成了外包络线，一直处于最高；下游面88点温度过程线处在中间，这是2个温度高值区，但二者下降较快，且速率几乎一样；网络内部中心100点的温度过程线在最下方，量值小，但下降速率要慢许多，有时略有回升。实际监测到的坝块内部混凝土水化热温度曲线属偏正态曲线，这与传统的温度计算理论及热传导理论成果是一致的。

4 结 论

(1)本文提出的常态大体积混凝土分布式光纤传感监测技术可实现大体积混凝土施工期和运行期的温度场监测，是对大坝温度监测传统仪器、理论和方法的变革和创新。(2)所优选的光纤分布式温度测量系统安装方便，可快捷、准确地检测到坝体混凝土结构内部温度场的变化，这对大坝的健康诊断和安全运行十分有利。(3)设计的光纤传感网络基本覆盖了32m×20m的浇筑仓面，且冷却水管、混凝土标号、骨料级配等对实际温度场的影响都能在温度分布曲线中较好的反应。蛇形冷却水管强迫降温效果明显；混凝土标号越高，混凝土水化热产生的温度越大；骨料级配大，对温度的影响越小。(4)在混凝土水化热变化的全过程中，整个仓面的最高温度发生在上游面115点，峰值为34?75℃，在设计允许值以内；28d后，温度逐渐下降，并趋于稳定，温度值在24～25℃之间。

参 考 文 献：

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[2] Gusmeroli V, Martinelli M, Barberis A. Thermal expansion messurements of a concrete structure by embedded fiber optic an effective example of simultaeous strail-temperature detection, Second European Conference on Smart Structures and Materials. Glagow, Scotland, 12-14, October, 1994d, SPIE, 1994D: 220-223.

[3] M. Aufleger, Th. Strobl, J. Dornstadter. Fibre Optic Temperature Measurements for Dam Monitoring [C]. International Conference on Health Monitoring of Civil Infrastructure Systems, 24-26, October, 1994, Chongqing University Press, 121-128.

[4] 胡晓东，胡小唐，刘文晖.基于布里渊放大的分布式光纤温度传感技术的研究 [J].天津大学学报，1999，(11): 678-681.

光纤传感技术论文篇6

关键词: 光纤光栅; 光纤传感器; 土木工程

中图分类号： TN818 文献标识码： A 文章编号：

前言

光导纤维具有感测和传输双重功能, 具有柔韧易弯曲、质量轻、抗电磁干扰、耐高温、耐腐蚀、传输频带宽以及优良的可埋入性等优点。光纤光栅传感器除了具有光纤传感器的许多优点外, 还有一些明显优于其他光纤传感器的地方。它是作为一种光谱分离与光波长选择的器件, 信号不受弯曲损耗、连接损耗、光源起伏和探测器老化等因素的影响; 避免了干涉型光纤传感器相位测量模糊不清等问题。在一根光纤上串接多个光纤光栅, 把光纤嵌入(或粘于) 被测结构, 可同时得到几个测量目标的信息, 并可实现准分布式测量。然而将光栅刻划在光纤上得到光纤光栅则是最近10年才发展起来的新技术, 受到了世界各国研究机构的广泛重视。目前, 光纤光栅传感器已应用在桥梁、大坝、大型建筑、石化、电力、钢铁、核工业、飞机船舶制造、医疗等多种场合。

1、光纤光栅传感器基本原理

FBG 传感技术源于Hill等人在1978 年所发现的光纤光敏感特性。用一对强紫外光柱所产生的干涉条纹, 对光敏光纤侧面进行照射, 可以对光芯处的折射率进行永久的周期性调制, 从而制成一段折射率周期性变化的光栅。由于周期的折射率扰动仅对频率很狭窄的小段光谱产生影响, 当光波在光栅中传播时, 入射光将在这段被反射回来, 其余频率的光谱则被透射过去, 这样光纤光栅就起到了光波选择的作用。能够被反射回去的波长必须满足如下条件:

（1）

式中是光栅反射的中心波长; n是光栅纤芯的有效折射率; 是光纤光芯折射率的调制周期。这个条件是首先由威廉布拉格爵士提出的, 所有按照这种原理制造的光纤光栅又称为布拉格光栅(FBG)。从式(1) 可以看出, 如果纤芯的有效折射率与调制周期发生变化, 那么反射波长也将发生变化。事实上如果光栅受到应力与温度作用时, 纤芯的有效折射率与调制周期都将发生变化, 因而我们可以通过测量反射波长的变化来感受应变与温度的变化。

现在, FBG 传感器的应用领域不断扩展, 人们已将其逐步应用于多种物理量的测量, 制成了各种传感器。主要包括FBG 应变传感器、温度传感器、位移传感器、加速度传感器、压力传感器等。下面我们就常用的应变传感器、温度传感器的测量原理进行简单介绍。反射光的中心波长随着作用于光纤光栅的应变和温度变化成线性变化, 同时考虑应变与温度变化时, 所引起的波长移动为:

（2）

式中: Pe 为有效光弹系数, 为光纤的热膨胀系数, 为光纤的热光系数。ke 为光纤光栅的应变系数,为光纤光栅温度传感的灵敏度系数。

根据式(2),只要测出布拉格波长的变化,就可以得到外界的应变或温度扰动。并且由于布拉格反射光的光谱只占入射光光谱中很小的一部分, 调整各光纤光栅传感器的栅距,使它们具有不同的,且其布拉格光谱互不重叠,就可以将若干个FBG传感器串联起来, 实现对待测结构定点的准分布式的测量。

2、光纤光栅传感器封装技术

由于裸的光纤光栅直径比较纤细, 在恶劣的工程环境中容易损伤, 因而需要对其进行封装后, 传感器才能交付使用。另外通过选用不同的封装材料, 可以实现温度补偿、应力和温度的增敏等功能。封装技术是光纤光栅传感器工程成功应用的关键技术之一。

目前常用的封装方式主要有粘贴式、管(片) 式、嵌入(植入) 式封装。

(1) 粘贴式封装。裸光栅作为应变传感器直接粘贴在待测结构的表面, 并用胶黏剂进行涂抹, 是一种简便、价格低廉的封装方法。利用刻槽加盖片保护, 可以提高成活率。

(2) 管(片) 式封装。管(片) 式封装是将裸的光纤光栅置于金属管、片等媒介器件内(上) , 封装成独立的传感元件。管(片) 式封装包括金属管式封装, 基片式封装等, 是目前比较常用的光纤光栅封装方法。

如图1所示, 管式封装应变传感器主要由封装管、FBG、传输光缆、尾纤、胶粘剂组成。FBG 毛细管封装的核心工作是封装工艺, 封装时必须保证FBG 准确平直的在毛细管的正中间。哈尔滨工业大学周智等人开发了无增敏型的单层金属管封装的FBG 温度传感器和增敏型双层金属套管的FBG 温度传感器。大连理工大学李宏男也开发了金属管封装的FBG 应变传感器和温度传感器。

图1管式封装的应变传感器

基片式封装有金属基片封装和树脂片封装, 封装结构主要由金

属薄片(或树脂薄片)、胶粘剂、护套、尾纤、传输光缆组成。该封装结构的基本思想是将FBG 封装在刻有小槽的基片上, 通过基片将被测结构的应变传到FBG 上。

夹持式封装技术的主要思想是在钢管封装的FBG 传感器的两端安装夹持构件, 如图2所示, 待测结构的应变通过夹持构件传递给FBG。该方法封装的传感器可根据实际需要改变标距长度。因此, 夹持式封装的传感器可直接粘贴或焊接在结构表面, 或用铆钉铆到结构上。

图2夹持式封装

嵌入式(植入式) 封装。该封装方法将光纤光栅植入纤维材料(CFRP, GFRP 等),形成传感元件。Moyo 等研制了FBG 应变传感器, 将光纤光栅植入碳纤维材料。欧进萍院士课题组研制了FRP2O FBG 智能复合筋。

3、光纤光栅在土木工程中的应用

下面分几个方面介绍利用这些原理进行传感测量应用的情况。

3.1 应变传感器( Strain Sensor)

光纤传感技术论文篇7

关键词 光纤传感技术;流量计量仪;研制;应用

中图分类号TE9 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2010)23-0156-02

光纤传感技术与控制技术在油田联合站应用研究,是利用光纤传感技术的高精度、非电、非接触式检测等特点,实现联合站多项工艺参数的检测;利用多级分布式控制技术和网络技术实现联合站主要工艺过程自动控制和远程监控指挥功能。近年来,我们通过在河南油田与双河联合站技术人员合作,在现有的光纤传感产品基础上,开发了光纤流量计量仪,探索一条用于我国油田联合站综合性生产过程的安全状态监测与评估新途径,对油田联合站综合性生产过程的安全状态监测与评估,在科学研究中也具有十分重要的意义。

光纤计量仪采用容积式流量计介质计量方式,由计量腔、转子体、传动机构、转换机构、计数显示机构、流量发讯机构、转速传感器、光电转换器等组成。当被测液体流经流量计时,流体的动压力使进出口间形成一个压差而推动转子旋转,随着转子的转动,流体经由计量腔不断地排出流量计。转子每转动一圈排出的液体体积是一个固定值,即排出量与转子轴转数成正比,通过传动机构和转换机构,经调整将旋转次数输送到计数显示机构,显示瞬时量和累计量,同时经信号发讯机构将流量信号送至二次表。

1 量发讯器

流量发讯器由转数传感器和光电转换器组成,其工作原理见图1,转数传感器通过专用联轴器与被测流量计转轴联接,传感器用的光学编码器将被测轴的转动转变成光脉冲信号,经光缆传送到操作室内的光电转换器,转变成方波电脉冲信号,再进入其他二次仪表。

2 转速传感器

转速传感器内有一个光学编码器,它由一根主轴与外界相联。转速传感器的光学编码器与光纤液位变送器的光学编码器很相似,也是由光码盘、轴及光纤探头组成,只是只有一个光纤探头。因为流量计只向一个方向转动,不需要判别方向。红外光从光电转换器中发出,经光纤光缆到达光纤探头,当光码盘转动时其齿孔对光进行调制,使光不断地被遮挡或通过,就形成光脉冲,通过光纤光缆传输到光电转换器。由于只有一路光纤探头,光码盘每转输出的脉冲数也比光纤液位变送器的要少,为每转输出100个脉冲,光纤探头的安装也相对要方便一些。其光学编码器的结构可参见图2。

3 光电转换器

流量发讯器的光电转换器与光纤液位变送器的光电转换器基本相同,也是放在控制室内,与现场的转速传感器用光缆相连,其电源为5VDC来自二次仪表。不同的是只有一套光源和光电转换装置,光缆采用二芯光缆。其采用的红外半导体光发射器LED是惠普公司生产的,光敏器件PIN是邮通讯元件硅光电池。LED发出的连续红外光经光学编码器调制后,变成光脉冲被PIN接收,变成电脉冲并经整形放大后输出。它输出的方波信号与传统的发讯器相同,可以与流量计算仪,转数显示仪表或计算机接口等配合使用。

4 光纤流量计量仪的测试数据

光纤传感技术论文篇8

关键词：光纤传感；地震监测；地形变；地震波

引言

当前地震监测的方式主要集中在两个方面，一是通过地壳形变测量获取地震前兆信息及研究地震活动性问题；二是通过研究地震波来探测地球内部结构进而进行地震预报[1]。

测量地形变需要测量系统提供非常高的测量精度，而目前广泛应用于实际地形变监测中的钻孔应变、硐体应变、GPS等方式[2]，往往因受地理条件的限制，有比较严重的电磁干扰。在安全监测、石油勘探等领域，目前广泛应用的是现代地震仪，现代地震仪都是通过探测地震波得到地震数据记录，以此对震源、地球内部结构进行研究并实现临震预报。在进行石油勘探的过程中，采用人工的方式在岩层的分界处造成震动，这种震动引起的弹性波可以发生反射或折射，利用灵敏度很高的地震检波器将由此产生的反射波和折射波记录下来，通过分析就可以定位油气圈闭；在进行安全监测时，传感器可以探测到侵入物引入的地面波，进而实现目标识别及预警。

然而，传统的监测手段普遍存在动态范围小、敏感度低、漏电、占用较大的空间和较高的基建费等问题，严重限制了上述监测技术的发展[3，4]。

光纤传感器凭借其特有的优势逐渐成为地震预测中一种新型手段。光纤传感器作为传感器家族中新发展起来的重要成员，是一种全光观测方法，从20世纪70年代起，得到了广泛的关注和飞速地发展[5，6]。它是以光波为载体、光纤为媒介的新型传感器，与传统的传感器相比，光纤传感器具有体积小、质量轻、结构简单、抗干扰性强、电绝缘性能好、频带范围宽、动态测量范围大、耐腐蚀、耐高温、灵敏度高、传输距离远等特点，除此之外，光纤传感器还能够实现分布式、多参量测量，并且易于与计算机和光纤传输系统相连构成传感网络[7]。

文章在阐述光纤传感器传感原理及特点的基础上重点介绍了光纤法珀（FP）传感器和光纤光栅（FBG）传感器，之后对光纤传感器在地震测量中的应用及发展进行了介绍，最后总结了基于光纤传感的地震监测手段的优势和缺陷，对发展前景进行了展望。

1 光纤传感器的传感原理及特点

近年来，光纤传感技术被广泛地应用于地形变观测、地震波探测、水文地球化学观测和地磁探测等众多领域并取得了大量研究成果[8]。光纤传感器可以按照传感原理分为强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、波长调制光纤传感器、分布式光纤传感器等。

1.1 强度调制光纤传感器

强度调制光纤传感器通过感知外界环境导致的光纤传输光强度变化来检测相应的物理量。光纤法珀传感器是一类典型的强度调制光纤传感器。它是历史最长、技术最为成熟、应用最为普遍的一种光纤传感器。光纤法珀传感器是光纤传感器中的重要一员。光纤法珀传感器的核心敏感元件是法珀腔，所有被测物理量的变化都会直接或间接地反映在法珀腔长的改变上，根据光纤珐珀腔的结构不同，光纤法珀传感器可以分为本征型（EFPI），非本征型（IFPI）和在线复合型（ILFP）。

非本征型光纤法珀传感器是目前光纤法珀传感器中应用最广泛、研究最多的一种光纤法珀传感器，常见的非本征型光纤法珀传感器有毛细管型非本征光纤法珀传感器和膜片式微加工型光纤法珀传感器。

1.2 相位调制光纤传感器

相位调制光纤传感器通过敏感部件感知光纤折射率或传播常数的变化从而对被测物理量进行探测。这类传感器需要采用干涉技术将相位信息转化为强度信息来进行检测。

1.3 波长调制光纤传感器

波长调制光纤传感器主要指光纤光栅传感器，其结构如图1所示，这类传感器利用待测物理量调制传输光波长信息，通过探测波长信息的变化即可对待测量进行检测。光纤光栅传感器是一类典型的波长调制光纤传感器。光纤光栅传感系统已被广泛应用于桥梁健康监测、大坝健康监测、油井健康监测、油罐预警系统等传统工程中。

光纤光栅不仅尺寸很小、重量相对轻、还具有带宽宽、灵敏度很高、耐腐蚀能力强和抗电磁干扰能力强等的优点，由于其固有特性，能够实现对波长的绝对编码、集传感与传输于一体、且可以不受光功率波动的影响、相对易于制作封装及埋入材料的内部。在测量领域，可以对结构的应力、应变进行高精度的绝对检测。同时，也能够采用准分布式的方式多点测量外界温度、应力场作用下的大量待测目标的时间和空间特征。

2 光纤传感器在地震测量中的应用及发展

早在1986年，美国洛斯・阿拉莫斯国家实验室已经开始研究光纤钻井地球应变仪（FOBES）项目[9]，该实验室采用单模光纤利用光学干涉式地球应变传感器来观测可能是地震前兆的微小地壳应变，探测精度可以达到10-10。Homuth在该项目的基础上进行了改进，利用两根平行单模光纤来制作干涉传感器，由于不在地下埋设电缆，因此光纤不会接受到四周岩土的影响，用水泥将另一根光纤固定在岩石里，通过这根光纤感知岩石的应变。第二根光纤由应变引起的有效长度变化会和第一根光纤进行相干比较，比较结果由计算机输出。

日本的T Sato等人在1999年构造了两个实验模型，进一步改进了基于光纤光栅传感器的地形变监测系统，并在振动台上与位移计进行了对比实验[10]。该改进结构具有更简单的机械结构、更高的稳定性，能够满足地形变监测的要求。在之后的两年，该科研组又进一步提高了该系统的性能，设计了一种基于新型机械原理的不同的应变观测仪器，这表明研究的关键仍然是提高测量精度；随后，该组继续报道了一种用于地震前兆水平切应力测量的观测设备，设备的核心器件是一个粘贴有光纤光栅的青铜板，通过测量垂直安装于地层中的金属青铜板的角度可以换算出地层切应力。这种改进的结构具有很高的测量精度。

2001年，美国海军实验室的 J A Bucaro等人基于光纤微弯损耗研制出一种质量仅为1.8g的超小型光纤加速度计[11]。

2005年中国地震局地壳应力研究所的周振安等人针对光纤光栅传感在应力应变监测方面灵敏度不足的问题提出了一种新的技术手段[12]，在这种技术中使用了增敏装置来提高系统的测量分辨率。理论上可以将测量分辨率提高到10-9至10-10量级，这已经可以满足高精度应力应变测量的要求。将一个刚性调节锚杆活性连接到一个光纤光栅传感器上来传递应变，通过改变刚性连接棒的长度来实现各种倍数的机械增敏效果。

2006年，美国史蒂文理工学院的Z Yang 等人报道了基于改性悬臂梁的光纤光栅地震波传感器[13]。该检波器的共振频率为90Hz，工作频段为10-110Hz，采用匹配光栅进行波长解调，动态范围80dB，系统可探测的最小振动加速度为40？滋g。该检波器被应用于地面侦察活动中，对人员行走、跑动、轮式车的探测距离分别达到了67m，83m，180m。

2007年，美国GHAmes等人研制了一种基于DFB光纤激光器的加速度计[14]，该传感器尺寸仅为83mm×8mm×6mm，工作频段为10-8000Hz，最小可探测振动加速度为125？滋g。

2008年，中国地震局地震研究所的邓涛提出了一种基于光纤干涉和光纤光栅组合传感的设计思路[15]，该思路是将光纤bragg光栅的波长绝对测量和光纤干涉法的高精度相对测量进行结合，从而将光纤传感的原理应用到地形变测量来获得高的测量精度。该系统的传感检测具有抗干扰能力强、耐酸碱腐蚀、无须标定、无零点漂移等优点。在实际测量中，将光源放置在温度变化很小的硐体内，将光纤光栅粘贴在硐体的基岩上，基于干涉原理进行传感检测，系统的精度可以达到1.27×10-10。

美国UCSD斯克里普斯海洋研究所的M Zumberge等人[16]报道了一种用于圣安德烈斯断层天文台地壳形变观测的光纤应变传感器，如图2所示。传感器部分是一根张紧在井管外的单模光纤，井管被安置在深井中并向下延伸782m。当该区地壳发生纵向应变时，光纤干涉臂将随之产生变化。该应变观测装置运用了干涉测量的方法来记录地震事件。结合边缘处理算法，可以使应变仪具有很高的灵敏度和很大的动态范围，图3（a）是记录附近的一次里氏4.1级地震引起的强烈震动波形，图3（b）是记录的一次远震引起的巨大应变信号，两次记录地震的结果都能真实地反映地壳形变状况。

3 结束语

在地震监测和地形传感手段日益多元化的今天，伴随着光纤传感技术的发展，越来越多的光纤传感器被应用到地震前兆观测中。光纤传感器在地形变观测中具有良好的应用前景，与现有的传统监测手段相比，光纤传感器除具有结构简单、灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘、防爆性好、抗电磁干扰、光路可挠曲、易于与计算机连接、便于遥测等优点外，还具有易组网的特点，这就使得我们可以测出沿线任意点的应力应变、温度损伤等信息，从而对监测对象进行全方位监控。因此，分布式光纤应变/温度观测技术的发展对活动块体边界带（或断裂带）的监测具有重要意义。

尽管具有上述诸多优势，但光纤传感若要大规模实际应用于地震监测领域，还需要解决很多关键的技术问题，例如如何提高地形变监测中的光纤光栅传感精度、如何探测超低频地震波并获得较高的分辨率，以及大规模长距离组网技术等。

参考文献

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[3]马晓川，周振安，刘爱春，等.高灵敏度稳定光纤光栅温度传感器的研究[J].光电子.激光，2013，7：1245-1250.

[4]景琦，薄万举.电子水准仪与自动安平水准仪的对比研究――以DINI11和NI002为例[J].地震工程学报，2014，4：1102-1106.

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[10]Sato T，Honda R，Shibata S. Ground strain measuring system using optical fiber sensors[A].Part of the SPIE Conference on Sensory Phenomena and Measurement instrumentation for Smart Strutures and Materials[C].1999，3670：470-479.

[11]J.A.Bucaro and N. Lagakos.Lightweight fiber optic microphones and accelerometers [J].Review of Scientific Instruments，2011，72（6）：557-561.

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[13]Y Zhang，S Li，Z Yin.Fiber Bragg grating sensors for seismic wave detection[A].SPIE 5855，17th International Conference on Optical Fibre Sensors[C].

[14]Ames G H，Maguire J M.Erbium Fiber Laser Accelerometer[J].IEEE Sens J，2007，7（4）：557-561.

光纤传感技术论文篇9

【关键词】光纤光栅;正交异性钢桥面板;横向拉应力

1 工程背景

近年发展起来的光纤光栅传感技术，具有传统电类传感技术无可比拟的优势，满足现代工程结构监测的高精度、远距离、分布式和长期性的技术要求，为实现对现代工程结构长期实时健康监测和安全评估，提供了一种良好的技术手段。经过十几年，光纤光栅传感技术取得了快速的发展，光纤光栅传感技术应用于桥梁健康监测系统中具有很大的发展前景。

2 光纤光栅传感器的工作原理

布喇格光栅是光纤纤芯折射率受到周期性调制的光栅。由耦合模理论（CMT）知，光纤布喇格光栅（FBG） Bragg 波长：

（1-2）

式中，λd―布喇格波长; Λ―为光栅周期; neff―光纤模式的有效折射率。

光纤光栅的反射或透射波长光谱主要取决于光栅周期改变量和反向耦合模的有效折射率neff，它们与波长改变量B之间具有如下关系：

（1-3）

当温度和应变同时发生变化时，FBG 本身无法分辨出两者分别引起的 Bragg 波长变化。要精确测量应变，必须解决应变、温度交叉敏感问题。本文中采用光纤光栅温度补偿传感器进行克服应变及温度交叉敏感问题。

3 光纤光栅传感器网络布置

FBG传感器的最大优势是它可以实现应力或温度的准分布测量。也就是在同一根光纤的若干个部位写入不同栅距的光纤光栅，使它们具有不同的、并且各光纤光栅不存在重叠的光谱反射，实现分布式光纤传感监测。多通道传感系统网络的其中部分通道单独测量温度应变以消除其他通道的温度应变;实现多点测量以及找出惟一由应力引起的的参数变化对应值。

4 光纤光栅传感器在正交异性钢桥面铺装检测工程中的应用

大跨径钢桥铺装面铺筑在柔性的正交异性钢桥面板上，为计算方便，将粘结层和铺装层视为整体。计算模型选取如下：钢桥面板宽为3m，板长取四个横隔板三跨的距离9.6m，横隔板高度取0.5m。各边界条件：横隔板底部完全固结，铺装层和钢桥面板无水平位移但允许竖向位移。

图1 正交异性板铺装模型

其中正交异性桥面板的应力以及挠曲变形的测试断面为L/8 截面、L/4 截面、跨中截面。在每个断面设置2个光纤光栅传感器及1 个温度补偿传感器， 共计 7 个补偿传感器。对于正交异性板铺装局部模型单轮加载位置如图2所示：

图2 荷载位及纵向加载位置

三种加载位单轮加载的计算结果如表1所示。

表1 加强梁段不同加载位置计算结果

加强梁段不同加载位置应力（MPa）

原始设计危险工况

横向

H3

H2

H1

H3

H2

H1

H3

纵向

Z1

Z1

Z1

Z2

Z2

Z2

Z1

横向最大拉应力

0.372

0.470

0.439

0.370

0.532

0.558

0.819

纵向最大拉应力

0.136

0.160

0.178

0.186

0.200

0.266

0.239

横向最大层间剪应力

0.476

0.527

0.460

0.520

0.417

0.549

0.477

纵向最大层间剪应力

0.320

0.323

0.311

0.219

0.241

0.301

0.309

钢箱梁最大等效应力

33.1

40.3

44.1

48.0

61.0

63.7

40.9

钢箱梁第一主应力

38.1

49.4

50.3

48.2

63.2

66.5

40.0

计算显示铺装层破坏的最重要控制指标横向最大拉应力在横隔板中间位置的U类侧板顶部。从结果中也可以看出，铺装层的横向应力最大。对上、下游铺装层的5个传感器分别进行加载。车重315KN，两个后轴轴重246.5KN（最大值），分别为123.25KN。

表2 实测横向拉应力

工况

应力MPa

原始设计

加强梁段

工况

测点1

测点2

测点3

1

0.234

0.201

0.153

2

0.201

0.129

0.032

3

0.137

0.048

0.072

对比表1、2发现，实测值和横向最大拉应力差别很大，分析误差原因有以下几点：（1）理论值是最危险工况的最大应力。（2）现场试验中，车载难以保证施加在最危险工况位置，传感器的位置难以保证是对应荷载最危险的点;（3）而铺装层在车轮载作用下的受力，局部效益比较明显，应力最大值往往是在车轮作用附近的局部区域。所以实测值并不是铺装层横向最大拉应力，存在差别是合理的。

光纤传感技术论文篇10

【关键词】光纤光栅传感器 数据采集 光纤布拉格光栅

光纤传感器是通过检测光信号来测量环境中参量变化（生物量、物理量或化学量），这些参量变化会引起光的传输特性变化。光纤传感器有很多种类，按照传感机理它可以分为强度型、干涉型和光纤布拉格光栅型这三种。这其中光纤布拉格光栅不仅具有强度型和干涉型的优点，并且具有波长分离能力强、灵敏度高、传感精度好、抗干扰能力强等优势。光纤光栅传感器有着很大的发展前途，它可以在需要精确定位或者是绝对数字测量时，可以构成多光栅空间分布单一光纤传感网络系统。

本文研究的基于光纤光栅的数据采集，光纤光栅传感器即采用的是光纤布拉格光栅，光纤光栅的原理如图1所示。

光纤布拉格光栅的中心波长随着外界环境参量的变化而随之变化，它广泛应用于压力、温度、应变等参数的测量。

一、基于光纤光栅数据采集系统的组成

（一）光纤光栅传感系统

该系统通过光纤光栅传感器采集数据，这是该数据采集系统的前提条件。不同功能的光纤光栅传感器能够将不同的物理参量如温度、压力、应变和加速度等调制为相对应的光栅波长。光纤光栅传感器输出光波以后直接通过光缆便可以进行远距离传送。

（二）光纤光栅网络分析系统

该系统作用是将光纤光栅传感器采集的光信号经光缆的远程传输后，将光信号转化为数字量并以物理参量的方式在计算机终端记录、显示或存入数据库中。

该系统主要由光开关、光纤光栅解调仪及光纤跳线组成。光纤光栅解调仪的作用是将光纤光栅中心波长解调为数字信号。光开关的主要作用是将多路光信号一起或是分别进入光纤光栅解调仪，这样就克服了光纤光栅通道数不能满足工程应用的缺点。

（三）光纤通讯传输网络

该系统由光缆和光纤适配器等组成。光缆是光信号传输的通道，光纤适配器连接光缆且损耗很低，这样就可以避免工程现场的光纤熔接。单桥监控室采用光缆以低损耗方式接连光缆，将远距离采集的光信号引入中心监控室的数据处理及分析系统上。

（四）数据处理及分析系统

该系统是对采集后的数据进行预处理且分析，为后续系统的基础。该系统是由软件系统组成，在现场工控机上运行，为专家评估系统奠定坚实的基础平台，是后续工作提供可靠的依据。

二、数据采集系统的设计

在光纤数据采集系统中，首先运用了多线程技术，以保证数据采集、实时显示界面和数据存储同时进行；其次，运用数据安全队列来保护线程之间数据安全传递的同时，还要使采集到得数据可以在最快的时间内得到显示，最后在VS平台下实现数据采集系统程序，由于VS库函数和空间丰富，编程环境界面友好，使得软件不仅界面漂亮，而且开发难度大大的降低。数据采集的流程图3-5所示。

在基于光纤光栅数据采集系统中，为了使数据采集、储存和实时显示同时进行，必须采用多线程技术。此外，还可以采用数据安全队列使采集到的数据能够在最快时间实现显示并能够保护线程之间数据的安全传递。由于VS平台下库函数和空间丰富、界面友好，采用VS平台实现数据采集系统程序可以使开发难度大大降低且软件界面漂亮。数据采集的流程图如图2所示。

三、数据采集系统的程序实现

随着社会的发展，大型桥梁的安全问题越来越受到人们的重视，为了保证桥梁运行的安全性、可靠性及耐久性等，研究表明，得到科学管理的桥梁有着更好的安全性以及耐用性，桥梁健康监测系统已经是桥梁建设中不可少的一部分，数据采集系统则是整个监测系统的基石。对于桥梁健康监测来说，传感器具有数量大、种类多，信号采集的储存实时性高等要求，这样对于数据采集和处理系统有较高要求。本文以武汉某大型斜拉桥为例，研究基于光纤光栅的数据采集系统的软件设计及具体实现。

根据要求，传感器数据采集系统能够提供监测数据。以某斜拉桥为例的健康监测系统中，系统采用光纤光栅应力传感器、光纤光栅温度传感器、光纤光栅位移传感器、压电式低频加速度传感器等等监测斜拉桥应力、温度等参数。本文主要针对的是光纤光栅型传感器，将采集到的光信号通过光缆传输后经过解调仪解调，最后通过网口对解调仪采集到数字信号存入数据库中，为后续监测系统做准备。

光纤光栅解调仪具有以太网接口，根据实际需要进行网络编程，实现网络程序有很多种方式，Windows Socket是其中比较简单的方法。本系统监测对象比较多并且要求系统实时性高，多线程技术可以满足系统要求，它支持系统一个进程中执行多个线程，多个操作可以在不同线程中同时进行。光信号经解调仪传输后是字节流，可以使用memmove函数对字节流进行分解处理。

（一）光纤光栅传感器的配置

数据采集方案的确定和传输方式的选择一般是根据传感器空间分布情况确定的。斜拉桥的跨度比较大，一般为几百米到几千米，桥上敷设的传感器的数量种类也特别多，这个时候为了减少信号在传输中受到干扰、衰减失真等情况，首先要对传感器进行配置，再选择合适的数据采集方案和传输方式。

数据采集之前要确定传感器的总数、解调仪的数量、所需通道数、采样频率和存储频率等各方面信息。传感器的总数决定了数据传输设备的数量和数据的传输方式。传感器的采样频率是由数据处理系统对数据的要求以及数据本身的动态特性决定的。在进行传感器配置的时，采取四层结构，采用树形控件，应用如图3所示。第一层是光纤光栅系统，第二层是光纤光栅解调仪，第三层是通道，第四层是传感器。在数据采集系统首次运行时要进行初始配置，这样才能提高系统的运行速率。传感器配置有两种方式，一种是在界面进行配置，第二种是修改配置文件的内容。开始配置时首先将配置信息显示在界面上，对界面进行配置，然后将数据写入数据库。

界面的配置步骤为：光纤系统总配置、光纤光栅解调仪配置、通道配置、传感器配置。将每一个配置的传感器编号，通过传感器编号可以查询具体信息。比如：传感器的名称、类别、位置、初始应变、报警上限、报警下限、标定系数、标定斜率、是否要温度补偿、基准波长、标定波长、所属的解调仪和通道数等信息。

（二）网口采集

武汉某斜拉桥健康监测系统需采集的信号数量大、实时性高、处理较复杂。数据采集系统负责将光纤光栅解调仪的信号通过网口以后，进行数据的采集、分析、转化为相应数据储存，为后续的数据分析处理以及安全评估提供可靠地实时数据。本系统是采用开放式Windows系统平台，软件开发环境为Visual Studio 2005，把任务分成几个独立的线程，使用多线程方式，这样就能够保证数据采集的实时性，用户其他操作也能及时响应，这样提高了利用率和程序的运行效率。

光纤光栅解调仪主要作用是把光纤光栅中心波长解调出来，解调的机理有很多，本系统采用的解调原理是基于F―P滤波器的原理，基于网口的数据采集技术较成熟，解调仪的通信协议为UDP协议，传输速率要求能够完全满足系统要求。

对于UDP无连接的数据报服务，客户机给服务机发送一个含有地址的数据报，客户机和服务器并没有建立连接。服务器是通过调用Recvfrom（）等待客户端数据。基于UDP的socket编程思路为：首先创建套接字（socket），然后将套接字绑定到一个本地端口和地址上，等待接收的数据，最后关闭socket。

根据实际情况开发服务端软件基于UDP的，UDP能够提供端口机制便于UDP用户使用。UDP长度中包括UDP本身长度、源端口、目的端口、用户数据和UDP校验等。实际开发，端口号为5000，首先使用“ping”命令判断测试网络是否连通，原理为发送UDP数据包给对方主机，对方主机回复是否收到数据报，如果回复及时，则网络已经连接，软件流程如下图4所示。

四、小结

光纤光栅传感器使用越来越普遍，本文介绍基于光纤光栅传感器的数据采集监测系统的组成，对数据采集系统进行软件设计和介绍基于网络的数据采集的关键技术，最后对数据采集系统进行实例应用。

参考文献：

[1]柳旭.基于光纤传感技术的桥梁健康监测数据序系统研究：[工学硕士论文].武汉：武汉理工大学，2006