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极端环境下光纤传感解决方案

1、应变和温度及其传统测量方法
应变定义：

应力a = F/A

单位面积A上的正压力F

应变 lb = Al/10:

力F作用下物件相对于原长(10)长度变化(Al)

弹性模量

E : lb = a/E

 1、材料屈服和断裂: 在过大的载荷下的失效
2、材料在1%的周期性载荷下的失效
应变的意义：

1、结构设计中，测量应力可保证工件的强度，寿命和安全余量

2、结构和系统运行中，监测应力能探测并避免有害变形


Eschede高速火车轮轨引起的事故
无应变监测的灾害性后果：彗星客机铝蒙皮疲劳
电子应变片测量应变：

电子应变片：

1938年E. E. Simmons和A. C. Ruge发明把微小的机械应变转换成电阻变化，通过电桥电路测量

热电偶测量温度：

常规温度传感器基于热电原理或者电阻的温度系数

常规温度传感器基于热电原理或者电阻的温度系数：
并行测量无法复用 单点测量；占地较大，约平方厘米；系统复杂，可靠性低 不足以胜任大面积长距离长寿命监测；带电和电火花风险，无法用于易燃易爆特殊环境；易受电磁场干扰，各类辐射环境下无法测量


2、光纤传感器和光纤Bragg光栅传感器(FBG):特点与局限
挑战：应力传感器
70年代起航空工业对应力测量的新挑战：上千个应力测量点和监测点，实时，精确测量


光纤 Bragg光栅(FBG)解决方案：

康宁公司1970年实现了Charles Kuen Kao预言的低损光纤


Ken Hill 1978年在光纤内写入了 Bragg光栅(FBG)；之后NASA开创性的把FBG用于航空航天大面积结构监测。

光纤 Bragg光栅(FBG)原理：

康宁公司1970年实现了C窄带光学滤波器，实时灵敏的感受光栅位置的温度和应变harles Kuen Kao预言的低损光纤。

光纤Bragg光栅(FBG)传感器架构：

串行部署,每个FBG的反射波长作为其自身标志。

光纤Bragg光栅(FBG)传感器的优势：

■ 轻小

■ 免受电磁干扰和辐射影响

■ 化学稳定 

■ 机械强度高

■ 长寿命

■ 并行测量可复用

■ 测绝对量

■ 精确无需校正

■ 易部署可贴表，可植入，可集成

■ 无源器件无电火花

另一类光纤传感器：

■ 分布纤芯内“无“光栅 

■ OTDR 光频域反射法 

■ DTS 光时域反射法 

■ OFDR 分布式温度传感

■ 激光脉冲引入光纤形成一维光学‘‘雷达”，利用纤芯内任何一点的Raman散射/ Rayleigh散射/ Bouillouin散射获得该点处的温度和应变动态信息；更密集的连续分布式传感，但取样速率较低，硬件昂贵。



光纤传感器市场：
光纤传感器趋势：
3、飞秒激光逐点直写FBG传感器(fsFBG)及其优势
光纤Bragg光栅(FBG)传感器新挑战：

■ 核电站（高温，强辐射）

■ 科学高级光源，同步辐射光源，自由电子激光器（meV到MeV的电磁辐射）

■ 燃气轮机，汽轮机，航发，煤炭气液化(高温，高压，反应性腐蚀气体）

■ 石油勘产(高温，高压，高浓度氢气，水汽）

■ 航空航天高级智能结构（植入，高温焊接）

■ 微波和激光消融手术（高功率瞬时温度冲击）

■ 高功率光纤激光器（耐用Bragg反射镜，脉冲整形）

■ 光纤通讯（柔性波分复用系统，色散补偿）


■ 各类辐射导致光纤和常规FBG损坏 耐辐射 光纤性能 

■ 高温＞300℃)和温度冲击导致常规FBG失效 耐高温 

■ 高功率光纤激光器损坏常规Bragg反射镜 耐高功率  FBG原理

■ 植入型光纤传感器 激光 更细，更耐用  

■ 水和氢渗入引起光衰减和和变脆 耐腐蚀 涂敷层 

■ 光纤通讯需要特殊波长FBG 

■ 医疗传感器的极短，高密度FBG  灵活性 FBG制造工艺

■ 各类新型光纤器件按需定制


常规光纤Bragg光栅(FBG)传感器缺陷：

■ 非永久光栅，长时稳定工作温度极限不到300度，不耐核辐射

■ 制造过程繁琐：剥离-再涂敷，载氢，敏化，退火，再生，细芯重掺锗...

■ 剥离-再涂敷严重损害光纤机械强度，碳涂敷层，Ormocer涂敷层无法再涂敷

■ 制造过程受掩模板限制缺乏灵活性

■ 单个光栅点折射率调制低，易退化，光栅长度大。

■ 在纯石英-，蓝宝石-，氟化物-，硫族光纤 无法/难以写入FBG

■ 单纤FBG阵列受成品率限制价格高昂，或者需熔接


创新：飞秒激光逐点直写FBG(fsFBG)
独有优势：

■ 飞秒激光的非线性光学效应产生极端稳定的不可擦除的光栅作为传感器件

■ 透过涂敷层直写不受损害光纤本身强度

■ 灵活制造，对光纤材料，涂敷层材料几乎无要求,柔性制造密集FBG阵列，两FBG距离短可至毫米以下。

■ 全自动制造，很大提升互换性和经济性


飞秒激光逐点直写FBG(fsFBG)独特优势：
（1）fsFBG使用范围远高于常规FBG
（2）fs FBG的信号的温度稳定性高 ,可在1000C长时间生存。
（3）各类光纤上制造的fsFBG的温度信号的漂移率低。
（4）飞秒激光直写技术刻制常规方法无法刻制的特殊光纤，如耐辐射掺氟光纤

■ 特种掺氟光纤对核辐射有很 好耐受性

■ 飞秒激光直写技术是在氟化 物光纤里刻栅的唯一方法


（5）飞秒激光直写技术透过光纤涂敷层刻栅，保留涂敷层阻水优良性能

■ 水渗入打断光 纤的氧硅键， 减低光纤机械强度并引起额外光衰减

■ 碳密封涂敷层 能长期阻止水 对光纤腐蚀作用


（6）飞秒激光直写技术透过光纤涂敷层刻栅，保留涂敷层阻氢优良性能

■ 隔绝氢和水的碳涂敷层无法 再涂敷

■ 飞秒激光直写技术透过碳涂 敷层刻栅的唯一方法

■ 飞秒激光是在抗氢暗化的纯 石英光纤里刻栅的唯一方法

■ 不损害涂敷层故机械强度高


（7）飞秒激光直写技术是全自动高效方法
用于准分布式温度传感的FBG高密度阵列

■ 2dB的高稳定性

■ 相邻两FBG的zui小距离短至毫米 ，可能解决FBG 固有的交叉敏感性问题

■ 全自动方法每日 可制造1000个 fsFBG

飞秒激光逐点直写FBG(fsFBG)规格：
fsFBG类型
可透过的涂敷层
fsFBG 可靠性
可用光纤类型
FBG类型

■ 单纤单个fsFBG

■ 用户定制的方式

fsFBG阵列(单纤多fsFBG)

■ 阵列内fsFBG的

■ 单纤内可制造数千fsFBG

■ 间距从毫米到

公里

■ Bragg波长大于 800nm，其他波 长请咨询

■ 波长误差0. 2 nm

■ 类解调原理(基 于光谱仪，波长 扫描激光，边带 滤波解调） 

■ Pure silica 光纤

■ 蓝宝石光纤

■ 硫化物光纤

■ 光纤激光光纤

■ 单模和多模光纤

■ 标准通讯光纤

■ 丙烯酸酯

■ 聚酰亚胺（PI) 碳/聚酰亚胺

■ Ormecer

■ 无需剥离无需 纤

■ 聚酰亚胺涂敷层 的fsFBG使用温 度至300℃

■ fsFBG本身的稳 定性至1000℃

■ fsFBG抗拉强度 > 200kpsi

封装保护的fsFBG温度传感器：
温度传感器

■ 免受电磁干扰

■ 对温度变化灵敏度高，相应快

■ 稳定耐用

■ 轻小细,布线极简


规格

■ 温度使用范围-40叱到+400%

(用于髙达9502C的温度传感器即将面世) 

■ 一般使用波长:1460 nm到1640nm 

■ 单传感器上可集成的传感点数量:1到50 

■ 毛细管铠装外径2 0.8 mm 

■ 连接器：FC/APC, FC/PC or LC/APC

■ 光纤类型:SMF-28及其兼容单模光纤


封装保护的fsFBG应变/加速度/力传感器：
应力传感器(研发即将完成）

■ 测量范围±5000微应变(pm/m)

■ 使用温度范围-20℃到+ 200℃

加速度传感器(OEM)

■ 测量范围(带宽）土 200 m / s

■ 测量灵敏度0.05 nm / g

■ 使用温度范围-40℃to + 200℃


力传感器

■ 测量范围> 240 kN 

■ 测量灵敏度~ 17pm/kN


4、fsFBG传感器在特殊恶劣环境中的zui新应用
案例1：钢铁工业中分布式多点髙温测量

■ 钢铁工业中热压板上的温 度分布测量


■ 水冷式热压板温度不许超 过350℃


■ 高温,大面积，连续，实时，在 线监测温度需求


■ 每条光纤上多达50个fsFBG 作为温度传感点


■ 整个监测表面可布设500个传感点，传感系统可以扩展至20路以上


■ 温度监测范围至400℃


5、基于飞秒激光逐点直写FBG的传感器的展望

飞秒激光通过涂敷层逐点直写FBG (fsFBG)是以下领域传感的可靠解决方案：


■ 核辐射环境，聚变反应器温度监测，同步辐射和自由电子激光器温度应变监测

■ 燃气轮机，蒸汽轮机，航发，火箭发动机

■ 高温燃烧器：超超临界锅炉，循环流化床锅炉

■ 油气勘产监测，煤气化液化装置，石化裂解装置，化学反应器，光热电站

■ 航空航天高端复合材料的耐高温可焊接传感器和智能结构可植入传感器

■ 高功率高温微波或激光加热装置，医用辐射和消融装置的温度监测，光纤激光器耐高功率的Bragg反射镜

■ 光孤子控制，光纤飞秒光学频率梳，光纤天文望远镜滤波，光子灯笼技术。

■ 电力线，变压器监测，受电弓监测