1、在地球動力學中的應用
在地震檢測等地球動力學領域中,地表驟變等現(xiàn)象的原理及其危險性的估定和預測是非常復雜的,而火山區(qū)的應力和溫度變化是目前為止能夠揭示火山活動性及其關 鍵活動范圍演變的最有效手段心。光纖光柵傳感器在這一領域中的應用主要是在巖石變形、垂直震波的檢測以及作為地形檢波器和光學地震儀使用等方面?;顒訁^(qū)的 應變通常包含靜態(tài)和動態(tài)兩種,靜態(tài)應變(包括由火山產(chǎn)生的靜態(tài)變形等)一般都定位于與地質(zhì)變形源很近的距離,而以震源的震波為代表的動態(tài)應變則能夠在與震 源較遠的地球周邊環(huán)境中檢測到。為了得到相當準確的震源或火山源的位置,更好地描述源區(qū)的幾何形狀和演變情況,需要使用密集排列的應力-應變測量儀。光纖 光柵傳感器是能實現(xiàn)遠距離和密集排列復用傳感的寬帶、高網(wǎng)絡化傳感器,符合地震檢測等的要求,因此它在地球動力學領域中無疑具有較大的潛在用途。有報道指 出,光纖光柵傳感器已成功檢測了頻率為0.1Hz~2Hz,大小為10-9 e的巖石和地表動態(tài)應變。
2、在航天器及船舶中的應用
先進的復合材料抗疲勞、抗腐蝕性能較好,而且可以減輕船體或航天器的重量,對于快速航運或飛行具有重要意義,因此復合材料越來越多地被用于制造航空航海工具(如飛機的機翼)。
為全面衡量船體的狀況,需要了解其不同部位的變形力矩、剪切壓力、甲板所受的抨擊力,普通船體大約需要100個傳感器,因此波長復用能力極強的光纖光柵傳 感器最適合于船體檢測。光纖光柵傳感系統(tǒng)可測量船體的彎曲應力,而且可測量海浪對濕甲板的抨擊力。具有干涉探測性能的16路光纖光柵復用系統(tǒng)成功實現(xiàn)了帶 寬為5kHz范圍內(nèi)、分辨率小于10ne/(Hz)1/2的動態(tài)應變測量。
另外,為了監(jiān)測一架飛行器的應變、溫度、振動,起落駕駛狀態(tài)、超聲波場和加速度情況,通常需要100多個傳感器,故傳感器的重量要盡量輕,尺寸盡量小,因此最靈巧的光纖光柵傳感器是最好的選擇。另外,實際上飛機的復合材料中存在兩個方向的應變,嵌人材料中的光纖光柵傳感器是實現(xiàn)多點多軸向應變和溫度測量的 理想智能元件。
3、在民用工程結(jié)構(gòu)中的應用
民用工程的結(jié)構(gòu)監(jiān)測是光纖光柵傳感器最活躍的領域。對于橋梁、礦井、隧道、大壩、建筑物等來說,通過測量上述結(jié)構(gòu)的應變分布,可以預知結(jié)構(gòu)局部的載荷及狀 況,方便進行維護和狀況監(jiān)測。光纖光柵傳感器可以貼在結(jié)構(gòu)的表面或預先埋入結(jié)構(gòu)中,對結(jié)構(gòu)同時進行沖擊檢測、形狀控制和振動阻尼檢測等,還以監(jiān)視結(jié)構(gòu)的缺 陷情況。另外,多個光纖光柵傳感器可以串接成一個傳感網(wǎng)絡,對結(jié)構(gòu)進行準分布式檢測,并通過計算機對傳感信號進行遠程控制。
光纖光柵傳感器可以檢測的建筑結(jié)構(gòu)之一為橋梁。應用時,一組光纖光柵被粘于橋梁復合筋的表面,或在梁的表面開一個小凹槽,使光柵的裸纖芯部分嵌進凹槽中 (便于防護)。如果需要更加完善的保護,則最好是在建造橋時把光柵埋進復合筋。同時,為了修正溫度效應引起的應變,可使用應力和溫度分開的傳感臂,并在每 一個梁上均安裝這兩個臂。
兩個具有相同中心波長的光纖光柵代替法布里-珀羅干涉儀的反射鏡,形成全光纖法布里-珀羅干涉儀(FFPI),利用低相干性使干涉的相位噪聲最小化,這一 方法實現(xiàn)了高靈敏度的動態(tài)應變測量。用FFPI結(jié)合另外兩個FBG,其中一個光柵用來測應變,另一個被保護起來(免受應力影響),以測量和修正溫度效應, 同時實現(xiàn)了對三個量的測量:溫度、靜態(tài)應變、瞬時動態(tài)應變。這種方法兼有干涉儀的相干性和光纖布拉格光柵傳感器的優(yōu)點,在5me的測量范圍內(nèi),實現(xiàn)了小于 1me的靜態(tài)應變測量精度、0.1℃的溫度靈敏度和小于1ne/(Hz)1/2的動態(tài)應變靈敏度。
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