干货分享 ▎分布式超弱光栅传感技术及其工程应用|传感器|光栅|光纤|脉冲|阵列

式超弱光栅传感技术及其工程应用

光纤传感器具有精度高、复用性好、轻便、耐腐蚀、抗电磁干扰等优点，被广泛应用于土木工程、结构健康等监测。目前主流的光纤传感技术有分布式和准分布式两种，前者如BOTDR/A、DTS，后者以FBG最具代表性。随着社会的发展和科技的进步，人们对光纤传感器的复用容量、感测方式、测量精度、可靠性的要求也越来越高。经过近30年的发展，FBG的优异特性已获得业界的认可。但传统FBG的复用容量小，可靠性差，制备和敷设工艺复杂，难以满足大容量工程监测的需要。如何突破FBG技术的限制，构建大容量FBG传感物联网络，通过多点、多参数、全场景检测达到监测工程健康状态检测，已成为世界各国科研人员研究的重点。

超弱光纤光栅传感器

目前，一种新型的超弱光纤光栅传感器（uwFBG）在工程中被广泛应用，它通过在单模光纤上大量制备反射率低于0.1%的超弱光纤光栅（以下简称“超弱光栅”）等微结构，准分布式和分布式感知外界信息，实现地质工程、结构健康、灾害预警、周界安全等的监测。uwFBG继承和发扬了传统FBG传感器无源、抗干扰、响应速度快等优点，单光纤上可复用上万个传感单元，可智能定位和感知被测对象上的应力/应变、温度、振动等多个参数，有望逐步取代传统的FBG、BOTDR/BOTDA、DTS，成为工程物联网的重要载体。

表1 集中主流技术的对比

技术原理

采用先进的激光微加工技术在光纤上刻写周期性的微结构，形成低反射率的光纤布拉格光栅，即uwFBG。当入射光进入uwFBG阵列中，在满足布拉格反射条件的情况下，就会选择性的反射部分光信号。如果uwFBG受到外部物理场（如应力/应变、温度、振动等）的作用时，反射光的波长也随之发生变化。通过实时检测各个uwFBG反射光波长变化的大小就可以确定传感光纤上物理量的变化。由于uwFBG的反射率极低，允许在同一根光纤上刻写上万个相同或不同波长的uwFBG，融合FPGA硬件和多域信号处理算法，实现多点、多参量、全场景的检测。

图1 uwFBG的在线制备工艺

测试效果

图2 uwFBG检测效果

技术优势

uwFBG与传统的传感器以及普通的FBG相比，具有以下显著优点：

（1）复用能力强。由于应用新一代的超弱光纤光栅传感器，其具有超低反射率，可实现单根光纤上复用几千个超弱光纤光栅传感器。

（2）高分辨率、高灵敏度，高可靠性。应变精度优于1με，温度精度优于0.1℃；波长解调，不受光强变化的影响；拉丝塔工艺或飞秒自动刻写，无需剥皮熔接，机械强度高，损耗低；

（3）准分布式/分布式兼容，可监测温度/应变/振动等多参量，适合于监测点数多，长距离，大范围的信号监测，易于组网构成分布式监测系统。

（4）耐腐蚀，抗高温、抗老化。由于其主要成分是SiO2，结构稳定；无需载氢，微结构的长期稳定性好；在线拉丝工艺制备，去除。

（5）成本低，性价比高。原材料容易获得且充足，价格低廉；工业化制备，生产效率高，日产可达数万只。

质轻、体积小、可塑性好，抗干扰能力强。由于光纤本身的材质优势，使其具有柔软，韧性强，半径小，不容易折断，使用时受空间环境的约束小。由于传输信号为光信号，不会受到电磁辐射的干扰。

图3 光纤传感的发展趋势

在诸如石油、化工、煤炭、航空航天、电力系统领域，由于其环境属于易燃易爆，在电力系统领域，其环境具有电磁辐射严重的特性，为保证这些领域工程的可靠安全，需要安装成千上万个监测点，构建传感网络实现对这些工程领域的各个部分温度的监控，当发生温度异常时，及时发现并确定位置所在，以便迅速采取措施来解决问题，上述的诸多优点使uwFBG成为大型工程领域或者复杂机械系统动态监测很好的选择，具有很好的应用前景。

瑞科（广州）仪器科技有限公司

这次推出的超弱光栅传感产品主要包含以下内容：

HT-UWFBG-01 ∅250µm 弱光栅阵列

这是一种基于拉丝塔自动化刻写工艺制备的超低反射率光纤布拉格光栅阵列。这种阵列采用相位掩模的方法把多个反射率在0.01%~0.1%的光栅刻写在一根光纤上，允许根据用户的需求定制光栅波长和光栅间距，整个光栅阵列无需剥皮和串联熔接，机械性能优良，插入损耗低，适合于长距离和多点同时测试。主要应用于分布式应力传感、结构变形监测和反演及高精度链式温度传感。

HT-UWFBG-02 ∅195µm 弱光栅阵列

这是一种超低反射率光纤布拉格光栅阵列。采用拉丝塔工艺制备，把多个反射率0.01%~ 1%的光栅刻写在一根光纤上，再涂覆高性能的改性有机陶瓷。这种阵列具有超大的应变范围（>5%）、优异的耐温特性（+/-200℃）、耐候性好，允许根据用户的需求定制光栅指标和光栅间距，全阵列无需剥皮和串联熔接。主要应用于高寒区域的大量程分布式应力传感和耐高温光纤温度传感。

HT-UWFBG-03 ∅250µm 弱光栅阵列

这是一种基于飞秒或拉丝塔刻写工艺制备的低反射率光纤布拉格光栅阵列。这种阵列把多个反射率在0.001%~1%的光栅刻写在一根聚酰亚胺涂层（或普通丙烯酸酯涂层）的光纤上，允许根据用户的需求定制光栅指标和光栅间距，全光栅阵列无需剥皮和串联熔接，耐高温（+/-300℃）和机械性能优良，适合于中等距离的多点同时测试。主要应用于大量程分布式应力传感和耐高温光纤温度传感。

HT-UWFBG-04 ∅900µm 弱光栅阵列

这是一种采用免剥皮工艺制备低反射采用特殊涂覆及紧包工艺制作直径900um的光纤。这种阵列采用相位掩模的方法把多个反射率在0.01%~1%的光栅刻写在一根光纤上，允许根据用户的需求定制光栅指标和光栅间距，整个光栅阵列无需剥皮和串联熔接，具有较高的机械强度和抗拉伸能力，应变量大于30000με。主要应用于分布式应力传感系统、金属结构和工程实验模型的布设。

HT-UWFBG-05 应变光缆

这是一种高精度的超弱光栅应变传感。这种光缆内置免剥皮刻写的超弱光纤光栅阵列，单纤上复用上万个反射率在0.01%~1%的光栅传感器，经过预应力封装和金属铠装后成缆，允许根据用户的需求定制光栅指标和光栅间距，全阵列无需剥皮和串联熔接，具有很好地野外适应性，易于工程布设。主要应用于土木工程的应变监测（如隧道收敛、桩基、裂缝、地表沉降等监测）、野外滑坡监测、大型钢结构变形及载荷监测。

HT-UWFBG-06 感温光纤光缆

这是一种高精度的超弱光栅温度传感光缆，含0.17mm/1.8mm/3.0mm三种规格。这种传感器采用免剥皮工艺把多个低反射率光栅刻写在一根光纤上，允许根据用户的需求定制栅指标和光栅间距，再通过特殊的免应力封装后，制成测温光缆，具有较高的机械强度，易于现场布设，适合于高精度温度测量。主要应用于分布式火灾报警系统（如隧道、地铁、石化设施等）、大型设施的温度场实时分析及告警（如武器库、天文观测仪、锂电池仓库等）、水温监测的高精度链式温度传感器。

HT-UWFBG-07 GFRP光纤加强筋

这是一种高强度的超弱光栅温度传感光缆，含1.0mm/2.0mm两种规格。这种光缆的传感器采用免剥皮工艺把多个低反射率光栅刻写在一根光纤上，允许根据用户的需求定制光栅指标和光栅间距，再通过特殊的免应力封装后，制成测温光缆、应变光缆，具有较高的机械强度，易于现场布设。主要应用于高速公路路基应变场、整体形变监测、大型混凝土桩基的内部应变场及形变监测、特种场合下的温度传感监测。

HT-HFBGA-03

3U机架式超弱光纤光栅解调仪

这是一款标准的3U机架式大容量超弱光纤光栅分析仪，可提供4、8、32通道。光源发射近红外激光脉冲进入传感光纤，当激光脉冲沿着光纤正向传播时，被光纤上串联的超弱光栅传感器阵列部分地反射，这些反射沿着同一光纤背向返后被实时检测和分析。该分析仪内置工控机，支持远程操作、配置和数据采集，上电自启动，采用先进的信号解调算法进行处理，准确地获取每个传感器的位置和温度或应变值，并通过以太网或WIFI回传。

HT-HFBGA-04 3U

便携式超弱光纤光栅解调仪

这是一款便携式大容量超弱光纤光栅分析仪。光源发射近红外激光脉冲进入传感光纤，当激光脉冲沿着光纤正向传播时，被光纤上串联的超弱光栅传感器阵列部分地反射，这些反射沿着同一光纤背向返回到分析仪，被实时检测和分析。该分析仪内置电脑主机，集成15″LCD、88键键盘、触摸板，自带锂电，支持现场/远程操作、配置和数据采集，采用先进的信号解调算法进行处理，可准确地获取每个传感器的位置和温度或应变值，并通过以太网或WIFI回传。

HT-HFBGA-05

便携式超弱光纤光栅DAS解调仪

这是一款便携式大容量超弱光纤光栅微振动分析仪。光源发射近红外激光脉冲进入传感光纤，当激光脉冲沿着光纤正向传播时，被光纤上串联的超弱光栅传感器阵列部分地反射，这些反射沿着同一光纤背向返回到分析仪，被实时检测和分析。该分析仪内置电脑主机，集成15″LCD，88键键盘、触摸板，自带锂电，支持现场/远程操作、配置和数据采集，采用FPGA硬件完成算法解调，准确地获取每个传感器的位置和振动特征信号，并通过以太网或WIFI回传。

工程应用

岩崩监测

在岩体表面布设超弱光栅传感光缆，可以大面积监测岩体边坡的变形。同时在重点位置布设点式超弱光栅传感器监测裂缝和大尺度位移。采用野外4G基站，定时采集数据后回传。

采煤沉陷区地表位移监测

布设超弱光栅传感光缆监测浅层地表位移的变化规律，为市政开发提供参考。采用野外4G基站，每20分钟回传1组数据，长期采集存储数据。

地铁隧道监测

布设超弱光栅传感光缆监测地铁隧道结构的稳定性，如收敛、变形、沉降等，确保设施长期可靠的运行安全。

基桩变形和内力监测

在基桩中布设超弱光栅传感光缆监测基桩变形和内力变化。

水电站水环境监测

在坝体布设超弱光纤温度场系统，研究蓄水、发电、水生态变化与水温的关系。

天文望远镜温度场监测