一文深度了解光纖傳感器的應(yīng)用場景

光纖傳感器與測量技術(shù)是當(dāng)今傳感器技術(shù)領(lǐng)域新的發(fā)展引應(yīng)用，其測量用的光纖傳感器有很多種類，有很多種工作方式。國內(nèi)市場上光纖傳感器應(yīng)用主要在以下四種：光纖陀螺、光纖光柵傳感器、光纖電流傳感器和光纖水聽器。下面對這四種產(chǎn)品分別介紹一下。

光纖傳感器應(yīng)用種類

一、光纖陀螺。

光纖陀螺按原理可分為干涉型、諧振型和布里淵型，這是三代光纖陀螺的代表。第一代干涉型光纖陀螺，目前該項技術(shù)已經(jīng)成熟，適合進(jìn)行批量生產(chǎn)和商品化；第二代諧振型光纖陀螺，暫時還處于實(shí)驗(yàn)室研究向?qū)嵱没七M(jìn)的發(fā)展階段；第三代布里淵型，它還處于理論研究階段。

光纖陀螺結(jié)構(gòu)根據(jù)所采用的光學(xué)元件有三種實(shí)現(xiàn)方法：小型分立元件系統(tǒng)、全光纖系統(tǒng)和集成光學(xué)元件系統(tǒng)。目前分立光學(xué)元件技術(shù)已經(jīng)基本退出，全光纖系統(tǒng)用在開環(huán)低精度、低成本的光纖陀螺中，集成光學(xué)器件陀螺由于其工藝簡單、總體重復(fù)性好、成本低，所以在高精度光纖陀螺很受歡迎，是其主要實(shí)現(xiàn)方法。

二、光纖光柵傳感器

目前國內(nèi)外傳感器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一光纖布拉格光柵傳感器。傳統(tǒng)光纖傳感器基本上可分為兩種類型：光強(qiáng)型和干涉型。光強(qiáng)型傳感器的缺點(diǎn)在于光源不穩(wěn)定，而且光纖損耗和探測器容易老化；干涉型傳感器由于要求兩路干涉光的光強(qiáng)同等，所以需要固定參考點(diǎn)而導(dǎo)致應(yīng)用不方便。

目前開發(fā)的以光纖布拉格光柵為主的光纖光柵傳感器可以避免出現(xiàn)上面兩種情況，其傳感信號為波長調(diào)制、復(fù)用能力強(qiáng)。在建筑健康檢測、沖擊檢測、形狀控制和振動阻尼檢測等應(yīng)用中，光纖光柵傳感器是最理想的靈敏元件。光纖光柵傳感器在地球動力學(xué)、航天器、電力工業(yè)和化學(xué)傳感中有廣泛的應(yīng)用。

三、光纖電流傳感器

電力工業(yè)的迅猛發(fā)展帶動電力傳輸系統(tǒng)容量不斷增加，運(yùn)行電壓等級也越來越高，電流也越來越大，這樣測量起來就非常困難，這就顯現(xiàn)出光纖電流傳感器的優(yōu)點(diǎn)了。在電力系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的用來測量電流的傳感器是以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)，這就存在以下缺點(diǎn)：它容易爆炸以至引起災(zāi)難性事故；大故障電流會造成鐵芯磁飽和；鐵芯發(fā)生共振效應(yīng)；頻率響應(yīng)慢；測量精度低；信號易受干擾；體積重量大、價格昂貴等等，已經(jīng)很難滿足新一代數(shù)字電力網(wǎng)的發(fā)展需要。這個時候光纖電流傳感器應(yīng)運(yùn)而生。

四、光纖水聽器

光纖水聽器主要用來測量水下聲信號，它通過高靈敏度的光纖相干檢測，將水聲信號轉(zhuǎn)換為光信號，并通過光纖傳至信號處理系統(tǒng)進(jìn)行識別。與傳統(tǒng)水聽器相比，光纖水聽器具有靈敏度高、響應(yīng)帶寬寬、不受電磁干擾等特點(diǎn)，廣泛用于軍事和石油勘探、環(huán)境檢測等領(lǐng)域，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α９饫w水聽器按原理可分為干涉型、強(qiáng)度型、光柵型等。干涉型光纖水聽器關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展成熟，在部分領(lǐng)域形成產(chǎn)品；光纖光柵水聽器則是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，研究的關(guān)鍵技術(shù)涉及光源、光纖器件、探頭技術(shù)、抗偏振衰落技術(shù)、抗相位衰落技術(shù)、信號處理技術(shù)、多路復(fù)用技術(shù)以及工程技術(shù)等。

結(jié)合這幾種應(yīng)用型的光纖傳感器種類，我們來看看在實(shí)際應(yīng)用場景中的光纖傳感器

光纖傳感器在周界安防領(lǐng)域的應(yīng)用

在眾多周界安防監(jiān)控技術(shù)中，光纖傳感技術(shù)脫穎而出， 幾乎可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)傳感器所有的功能， 可以對位移、震動、壓力、溫度、速度、流量等各種物理量進(jìn)行檢測，具有靈敏度高、無電磁輻射、動態(tài)范圍大、適應(yīng)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，是安防技術(shù)發(fā)展的主流方向。

在光纖傳感安防應(yīng)用領(lǐng)域， 研制出了各種類型和各種功能的光纖探測器，成功地運(yùn)用于各國政府、軍隊、銀行、機(jī)場、港口、石油公司、核電站等，涉及的領(lǐng)域包括：周界、管線、通信、市政、監(jiān)獄安全監(jiān)控等。

光纖傳感器在安防領(lǐng)域的應(yīng)用主要在如下三個方面：

周界安全監(jiān)控系統(tǒng)

軍事基地、核電站、邊境線等重要設(shè)施通常都地處環(huán)境惡劣的地域，氣候條件復(fù)雜，同時這些設(shè)施的周界安全等級比較高，而這些地方的基礎(chǔ)設(shè)施也比較差，甚至沒有野外供電的條件，這對周界安防系統(tǒng)提出了更高的要求。光纖周界安全監(jiān)控系統(tǒng)有一款室外無源監(jiān)控系統(tǒng)，可以將監(jiān)控主機(jī)架設(shè)在監(jiān)控室，通過引導(dǎo)光纜將傳感光纜受到的震動信息傳遞到監(jiān)控中心，所有室外設(shè)備均為無源器件，無需野外供電，可以提供有效的周界安全監(jiān)控。

管道安全監(jiān)控系統(tǒng)

管道安全監(jiān)控是一項艱巨而復(fù)雜的任務(wù)，管線因施工不當(dāng)被破壞，造成重大污染和經(jīng)濟(jì)損失。常規(guī)的檢測方法是派人員沿管線巡查，也有采用一些傳統(tǒng)的監(jiān)測手段，但實(shí)踐證明效果有限。光纖管道安全監(jiān)控系統(tǒng)可以有效地解決上述問題，將傳感光纜沿管線埋設(shè)，通過光纖感受管線周圍的震動，并將此信息傳輸給監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行分析、判斷，排除一般性干擾，最終產(chǎn)生報警，告知值班人員管線出現(xiàn)事故的區(qū)域。該系統(tǒng)特別適用于化工廠和大型油庫中的石油管線安全監(jiān)控，以及大型社區(qū)市政設(shè)施中的天然氣管線、電力管線和飲水管線等的安全監(jiān)控。

骨干光纜安全監(jiān)控系統(tǒng)

骨干光纜是現(xiàn)代通信的基礎(chǔ)和重要通道，光纜運(yùn)營安全和信息內(nèi)容安全關(guān)系著國民經(jīng)濟(jì)和國家安全，因此骨干光纜的安全監(jiān)測就顯的十分重要。傳感的光時域反射儀(OTDR)雖然可以對光纖進(jìn)行檢測，但它也有局限性，存在盲區(qū)，不能進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，特別是通過高科技手段不用折斷光纖就可以神不知鬼不覺地盜竊光纖中傳輸?shù)男畔?，而傳統(tǒng)的監(jiān)測手段是無法發(fā)現(xiàn)的。光纖骨干光纜安全監(jiān)控系統(tǒng)通過接入光纜豎井中的光纖，對整個光纜進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)有不法分子企圖盜竊光纜內(nèi)部的信息而觸碰光纜時，系統(tǒng)立即產(chǎn)生報警，可以有效地保證骨干光纜的信息安全。該系統(tǒng)特別適用于政府大樓、軍事機(jī)關(guān)、銀行，以及機(jī)要和通信部門對骨干光纜安全進(jìn)行監(jiān)控。

周界安防監(jiān)控系統(tǒng)工作原理是基于多模光纖模式干涉探測技術(shù)，其基本檢測原理如下：

光在多模光纖中產(chǎn)生一個隨機(jī)強(qiáng)度的光譜，形成光斑。如果光纖沒有受到外界擾動，則該光譜相對是不變的。當(dāng)光纖受到外界擾動時，如：移動、振動或受到壓力時，這些光譜發(fā)生相應(yīng)的改變，光纖檢測器可以檢測到光譜發(fā)生了變化，并可確定外界發(fā)生了什么事件。

各種場合和領(lǐng)域的周界安防產(chǎn)品，既有防區(qū)式光纖傳感器，也有分布式定位光纖傳感器，形成適合于短、中、長三種周界系列監(jiān)控系統(tǒng)。與其它類型的安防產(chǎn)品配合使用，如：紅外探測器、激光掃描器、紅外冪簾等，采取由外到內(nèi)的多層防護(hù)手段，可以為用戶提供全面安全、可靠的安全防護(hù)體系。

光纖傳感器在石油行業(yè)中的應(yīng)用

在油田的開發(fā)過程中，人們需要知道在產(chǎn)液或注水過程中有關(guān)井內(nèi)流體的持性與狀態(tài)的詳細(xì)資料，這就要用到石油測井，其可靠性和準(zhǔn)確性是至關(guān)重要的。光纖傳感器可以克服在井下惡劣的環(huán)境諸如高溫、高壓、腐蝕、地磁地電干擾下工作?？梢愿呔鹊販y量井筒和井場環(huán)境參數(shù)，同時，光纖傳感器具有分布式測量能力，可以測量被測量的空間分布，給出剖面信息。而且，光纖傳感器橫截面積小，外形短，在井筒中占據(jù)空間極小。

以下分別對油田作業(yè)中，光纖傳感器能實(shí)現(xiàn)的檢測任務(wù)做介紹：

1、儲層參數(shù)監(jiān)測

1）壓力監(jiān)測

由于開發(fā)方案的需要，對油藏壓力的管理需要特別謹(jǐn)慎，這樣做的目的是減少因在低于泡點(diǎn)壓力的狀態(tài)下開采所造成的原油損失，減少在注氣過程中因油藏超壓將原油擠入含水層所造成的原油損失。

傳統(tǒng)的井下壓力監(jiān)測采用的傳感器主要有應(yīng)變壓力計和石英晶體壓力計，應(yīng)變式壓力計受溫度影響和滯后影響，而石英壓力計會受到溫度和壓力急劇變化的影響。在壓力監(jiān)測時，這些傳感器還涉及安裝困難、長期穩(wěn)定性差等問題。

井下光纖傳感器沒有井下電子線路、易于安裝、體積小、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而這些正是井下監(jiān)測所必需的。用布拉格光纖光柵傳感器實(shí)行井下監(jiān)測，對溫度不敏感，最高工作溫度為300℃，最高測量壓力82MPa，在最高測量壓力下，對溫度的靈敏度極小，可以適用于井下的壓力監(jiān)測。

2）溫度監(jiān)測

分布式光纖溫度傳感器具有通過沿整個完井長度連續(xù)性采集溫度資料來提供一條監(jiān)測生產(chǎn)和油層的新途徑的潛力。因?yàn)榫臏囟绕拭娴淖兓梢耘c其它地面采集的資料（流量、含水、井口壓力等）以及裸眼測井曲線對比，從而為操作者提供有關(guān)出現(xiàn)在井下的變化的定性和定量信息。

傳統(tǒng)的測溫工具只能在任何給定時間內(nèi)測量某個點(diǎn)的溫度，要測試全范圍的溫度，點(diǎn)式傳感器只能在井中來回移動才能實(shí)現(xiàn)，不可避免地對井內(nèi)環(huán)境平衡造成影響。

光纖分布式溫度傳感器的優(yōu)勢在于光纖無須在檢測區(qū)域內(nèi)來回移動，能保證井內(nèi)的溫度平衡狀態(tài)不受影響。而且由于光纖被置于毛細(xì)鋼管內(nèi)，因此凡毛細(xì)鋼管能通達(dá)的地方都可進(jìn)行光纖分布式溫度傳感器測試。

最廣泛地應(yīng)用于井下監(jiān)測應(yīng)用的光纖傳感器之一就是拉曼反向散射分布式溫度探測器，這種方法已經(jīng)在測量井筒溫度剖面（特別是在蒸汽驅(qū)井）中，得到了廣泛的應(yīng)用。

目前的光纖溫度、壓力傳感器的最主要的缺點(diǎn)之一就是溫度壓力交叉敏感特性，如何消除或者利用這種交叉敏感特性是研究的熱點(diǎn)。

3）多相流監(jiān)測

為了做好油藏監(jiān)控和油田管理，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是獲得生產(chǎn)井和注水井穩(wěn)定可信的總流量剖面和各相流體的持率。然而，大多數(shù)油井分層開采，每層含水量不同，而且有時流速較大，給利用常規(guī)生產(chǎn)測井設(shè)備測量和分析油井的生產(chǎn)狀況帶來了巨大的困難。

光纖測量多相流有兩種方法，第一種是持氣率光纖傳感儀，該儀器能直接測量多相流中持氣率。其四個光纖探頭均勻地分布在井筒的橫剖面中，其空間取向方位可用一個集成化的相對方位傳感器準(zhǔn)確測量，在氣液混合物中，通過探頭反射的光信號來確定持氣率和泡沫數(shù)量（這二者與氣體流量相關(guān)聯(lián)）。

此外，利用每個探頭的測量值來建立一種井中氣體流動的圖像，可以更好地了解多相流流型以及解釋在傾斜條件下這些流型固有的相分離。它提供的資料能直接測定和量化多相混合物中氣體和液體，能準(zhǔn)確診斷井眼問題，并有助于生產(chǎn)調(diào)整。儀器通過了三口井的現(xiàn)場測試。

第二種是通過測量聲速來確定兩相混合流的相組分，因?yàn)榛旌狭黧w的聲速與各單相流體的聲速和密度具有相關(guān)性，而這個相關(guān)性普遍存在于兩相氣/液和液/液混合流體系統(tǒng)中，同時也適用于多相混合流系統(tǒng)。根據(jù)混合流體的聲速確定各相流體的體積分?jǐn)?shù)，就是測量流過流量計的各單相體積分?jǐn)?shù)（即持率測量）。

某一流體相持率是否等于該相流動體積分?jǐn)?shù)，取決于該相相對于其它相是否存在嚴(yán)重的滑脫現(xiàn)象。對于不存在嚴(yán)重滑脫的油水兩相混合流系統(tǒng)，可以用均勻流動模型進(jìn)行分析；對于存在嚴(yán)重滑脫現(xiàn)象的流動狀態(tài)，則必須應(yīng)用更完善的滑脫模型來解釋流量計測量的數(shù)據(jù)，才能準(zhǔn)確地確定各相的流量。對于油水混合流體，流量計的長波長聲速測量可以確定各相體積分?jǐn)?shù)（即持率），而不受流動非均質(zhì)性（如層狀流動）的影響。

2、聲波測量

與過去相比，勘探開發(fā)公司如今面臨更大的風(fēng)險和更復(fù)雜的鉆井環(huán)境，因此獲得準(zhǔn)確的地層構(gòu)造圖和油藏機(jī)理具有重要意義。

目前使用的地震測量方法，如拖曳等浮電纜檢波器組、臨時海底布放地震檢波器和井下電纜布放地震檢波器等，能提供目的產(chǎn)油區(qū)域的測量，但這些方法具有相對高的作業(yè)費(fèi)用，不能下入井內(nèi)或受環(huán)境條件的限制等，而且提供的圖像不全面、不連續(xù)，分辨率不是很高，因此難于實(shí)現(xiàn)連續(xù)實(shí)時油藏動態(tài)監(jiān)測。

基于光纖的井下地震檢波器系統(tǒng)能夠解決這些問題，它能提供整個油井壽命期間永久高分辨率四維油藏圖像，極大方便了油藏管理。這種井下地震加速度檢波器能接收地震波，并將其處理成地層和流體前緣圖像。

永久井下光纖3分量地震測量具有高的靈敏度和方向性，能產(chǎn)生高精度空間圖像，不僅能提供近井眼圖像，而且能提供井眼周圍地層圖像，在某些情況下測量范圍能達(dá)數(shù)千英尺。它在油井的整個壽命期間運(yùn)行，能經(jīng)受惡劣的環(huán)境條件（溫度達(dá)175℃，壓力達(dá)100MPa），且沒有可移動部件和井下電子器件，被封裝在直徑2.5cm的保護(hù)外殼中，能經(jīng)受強(qiáng)的沖擊和振動，可安裝到復(fù)雜的完井管柱及小的空間內(nèi)。此外，該系統(tǒng)還具有動態(tài)范圍大和信號頻帶寬的特點(diǎn)，其信號頻帶寬度為3Hz～800Hz，能記錄從極低到極高頻率的等效響應(yīng)。

3、激光光纖核測井技術(shù)

激光技術(shù)和光纖技術(shù)可以用于研制井下傳感器，用于在充有原油和泥漿等非透明流體的井中進(jìn)行測井。

激光光纖核傳感器是在光纖通信和光纖傳感器的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，它利用了光致?lián)p耗和光致發(fā)光等物理效應(yīng)，比常規(guī)核探測器具有更多的優(yōu)越性，是典型的學(xué)科交叉。光纖核測井技術(shù)，實(shí)際上就是在特定的環(huán)境下的核探測技術(shù)，其典型的優(yōu)點(diǎn)為：

（1）可以針對不同的核探測的能級范圍，研制在該范圍的敏感探頭。

（2）因?yàn)閼?yīng)用了光致發(fā)光效應(yīng)，可使探頭位于千米的井下，而光電倍增管由傳輸光纜相連置于井上，遠(yuǎn)離了惡劣的井下環(huán)境（高溫高壓），從而延長其的使用壽命。

（3）光纖具有高速率、大容量傳輸能力，還能搭載其他井下儀器信號。

然而，激光光纖核探測器也有缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在耐高溫和承受高壓的保護(hù)涂層、傳輸光纜的機(jī)械強(qiáng)度以及耐輻射的傳輸光纜低衰減損耗。

光纖傳感在電力安全領(lǐng)域的應(yīng)用

電力系統(tǒng)是國家建設(shè)的基礎(chǔ)，是國民經(jīng)濟(jì)的命脈所在，電力作為國家重要的能源供給設(shè)施，安全防范自是重中之重。

電力系統(tǒng)自動化建設(shè)和改造不斷發(fā)展完善，而電力系統(tǒng)是由發(fā)電、輸電、變電、配電和用電等環(huán)節(jié)組成，需對各個環(huán)節(jié)具備安全防范手段。

分布式光纖傳感技術(shù)，將整個長度范圍內(nèi)的光纖均用作傳感器，探測在光纖敷設(shè)范圍內(nèi)任意點(diǎn)的特定信息。

基于彈光效應(yīng)和白光干涉技術(shù)，開發(fā)的分布式光纖監(jiān)測技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)從發(fā)電到輸變電整個電力供應(yīng)環(huán)節(jié)的安全監(jiān)控整體解決。

該技術(shù)從光纖振動傳感與溫度傳感兩方面著手，開發(fā)了針對電力系統(tǒng)應(yīng)用性極強(qiáng)的系列產(chǎn)品。該技術(shù)利用了光纖本質(zhì)是弱電器件的優(yōu)點(diǎn)，對能源依賴小，野外布設(shè)方便，不怕雷擊電閃；利用了光纖是一種無源器件的優(yōu)點(diǎn)，因此，防火、防爆，無電磁干擾，更抗電磁干擾，非常適合長距離、大范圍、難以人力全面監(jiān)控的場合；利用了光纖本身不含金屬的特點(diǎn)，因此，在野外苛刻的自然環(huán)境中，不會腐蝕，不怕雨雪，甚至可用于濕地與海域。

無人值守電站

無人值守電站的安全，電力設(shè)施、設(shè)備的破壞情況屢有發(fā)生。 變電站園區(qū)周界入侵探測報警系統(tǒng)，成為保證變電站安全運(yùn)行的最外層、最必要屏障。

光纖振動傳感技術(shù)采用光纖作為前端介質(zhì)，同時通過光纖將前端信號傳輸至監(jiān)控中心主機(jī)主，主機(jī)響應(yīng)后通過電力專網(wǎng)向遠(yuǎn)程調(diào)度中心或市局、上級機(jī)構(gòu)傳輸信號，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控。

高壓電塔安全監(jiān)控系統(tǒng)

高壓電塔危險性極強(qiáng)，塔架附近一定區(qū)域都需作無人區(qū)隔離，保證一定的安全距離。

光纖振動傳感技術(shù)通過埋設(shè)在無人區(qū)高壓塔架周圍的光纜，或者綁扎在高壓塔架底部支架上的光纜，在有人員進(jìn)入禁行區(qū)，或開始攀爬塔架的時候，第一時間進(jìn)行報警。安保人員通過監(jiān)控室顯示的塔架位置及時進(jìn)行定位，并出動人員及早進(jìn)行干預(yù)。能有效將危險及早進(jìn)行扼制。

輸電干線安全監(jiān)控

輸電線路是電網(wǎng)運(yùn)行的命脈，它在輸送能源的同時又相當(dāng)?shù)拇嗳?，任何外力的破壞，都有可能造成大面積停電。外力破壞(如盜竊、施工)、環(huán)境污染、自然災(zāi)害一直是威脅電網(wǎng)安全的重大隱患，而對于地震、臺風(fēng)、洪水等自然災(zāi)害有可能造成的電網(wǎng)大面積癱瘓，目前還缺乏系統(tǒng)性研究和評估，沒有建立相應(yīng)的預(yù)警機(jī)制。

利用光纖傳感技術(shù)對輸電線路進(jìn)行安全監(jiān)控，是采用沿輸電線路布設(shè)的光纖單芯定位等一系列創(chuàng)新技術(shù)，通過對輸電線路上發(fā)生的觸碰(或刮擦)光纜、接頭盒、光芯等擾動的實(shí)時監(jiān)測，采集和分析信息，判定擾動發(fā)生的位置、類型、強(qiáng)度，以幫助線路維護(hù)人員及時發(fā)現(xiàn)輸電線路的破壞行為。該系統(tǒng)解決了當(dāng)前輸電干線安全缺乏有效監(jiān)測手段的問題，不僅能夠在事件發(fā)生時實(shí)時監(jiān)測、準(zhǔn)確定位、智能分析，還可以實(shí)現(xiàn)對事故發(fā)生的預(yù)警，有效解決對線路損毀的預(yù)警監(jiān)測，為安保人員提供告警、智能分析和輔助決策支持。

分布式溫度傳感監(jiān)測

電廠與變電站電纜橋架、電纜隧道、電纜夾層、電纜溝、電纜豎井、開關(guān)設(shè)備、變壓器、電阻排等電力設(shè)備在長期的高壓中常因發(fā)熱而老化引起火災(zāi)，經(jīng)過多年來火災(zāi)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)的火災(zāi)事故都是由于溫度過高引起的。如果能夠在火災(zāi)潛伏期溫度緩慢的上升過程中就能即時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患并采取相應(yīng)措施，無疑是最佳的防范時機(jī)。

傳統(tǒng)形式的火災(zāi)探測系統(tǒng)其傳感部件通常是電磁式元件，而在電力行業(yè)的應(yīng)用場合，設(shè)備上都有著高壓，它的周圍有很強(qiáng)的電磁干擾，導(dǎo)致傳統(tǒng)的探測器誤報、漏報時常發(fā)生。 

分布式光纖測溫傳感技術(shù)是目前國際上最先進(jìn)的測溫技術(shù)。DTS分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)，能在整個連續(xù)的光纖上，以距離的連續(xù)函數(shù)形式，測量和顯示出光纖上各點(diǎn)的溫度值。這種技術(shù)只需一根光纖就可以測量十公里距離的溫度。對于電力系統(tǒng)的溫度監(jiān)測，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)是一種十分有效的監(jiān)測設(shè)備。

它基于目前最先進(jìn)的光纖、激光和信號處理技術(shù)。采用光纖作為溫度信息采集的傳感器。通過測量入射激光在光纖中不同距離處產(chǎn)生的散射波，測知沿光纖分布的各點(diǎn)的實(shí)時溫度信息。該系統(tǒng)專門應(yīng)用于區(qū)域(多點(diǎn)、線性、面型)測溫，并可以實(shí)現(xiàn)對溫度引起的過熱、過冷、火情隱患等進(jìn)行預(yù)判和報警。 

綜上所述，光纖傳感技術(shù)可以整體解決電力行業(yè)各個環(huán)節(jié)從安全防范至安全生產(chǎn)的綜合安全監(jiān)控，得到電力行業(yè)的廣泛重視，并開始被廣泛應(yīng)用。

光纖傳感器在橋梁健康監(jiān)測中的應(yīng)用

隨著工業(yè)與交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，橋梁對交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展具有重大影響，橋梁的跨度增加以及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜趨勢，使得其安全隱患受到大家更多的關(guān)注，因此我們需要對橋梁進(jìn)行更好的健康監(jiān)測。橋梁的健康監(jiān)測實(shí)際上是通過對橋梁結(jié)構(gòu)的無損檢測、實(shí)時監(jiān)測橋梁的整體結(jié)構(gòu)，對其損傷位置和程度進(jìn)行診斷，為橋梁的維修以及管理提供幫助。 

隨著光纖傳感技術(shù)用于復(fù)合材料的發(fā)展，把光纖傳感系統(tǒng)埋入水泥結(jié)構(gòu)形成能夠感知應(yīng)力和斷裂損傷的能力。光纖傳感器因?yàn)榫哂匈|(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)小，信息量大，不受電磁干擾，容易埋入結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，可以對橋梁進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)測和控制，從而實(shí)現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的目的。目前，最廣泛使用的是光纖光柵型傳感器，是橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的重要工具之一。

橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，包括測量車輛荷載、溫度、撓度、應(yīng)變、主梁振動、斜拉索振動六個子系統(tǒng)； 

下面就幾個具體的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行簡單的介紹。

拉索應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)

在斜拉索結(jié)構(gòu)大橋中，大橋的主梁及通過的汽車荷載均由拉索承擔(dān)，拉索是特別容易產(chǎn)生損傷的結(jié)構(gòu)，其壽命往往比橋梁其他構(gòu)件的壽命都要短，因此要準(zhǔn)確及時掌握拉索的內(nèi)力及其變化特征至關(guān)重要。

在天津的永和大橋的監(jiān)測中，在44組拉索中每組拉索選擇1根作為監(jiān)測對象布設(shè)傳感筋，總計44根智能索。

圖1  永和大橋的結(jié)構(gòu)圖

如下圖2所示光纖光柵智能索內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。其中36根索內(nèi)只設(shè)2個光纖光柵應(yīng)變傳感器，另外的8根索中除布設(shè)2個光纖光柵應(yīng)變傳感器外還布設(shè)了1個溫度補(bǔ)償光纖光柵傳感器。在大橋的拉索檢測系統(tǒng)中選用了GFRP-OFBG復(fù)合智能筋，其具有精度高，分辨率高，靈敏度強(qiáng)，反射率大于90%，最重要的是耐久性長達(dá)25年之久。

   圖2   智能索內(nèi)部結(jié)構(gòu)

主梁應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)

在橋面主梁的監(jiān)測中，主梁上不僅要安設(shè)光纖光柵應(yīng)力傳感器還要在特定的位置安裝光纖光柵溫度傳感器，并完成應(yīng)變傳感器的溫度補(bǔ)償；對主梁結(jié)構(gòu)的溫度場監(jiān)測是為了將溫度場作為參數(shù)，研究溫度應(yīng)力及溫度導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)動力特性變化。

圖3  主梁應(yīng)力監(jiān)測截面位置

如圖4所示，其中在I、VI截面上分別布設(shè)3個光纖光柵應(yīng)變傳感器、1個光纖光柵溫度傳感器和1個絕對溫度補(bǔ)償傳感器；II、V截面上分別布設(shè)5個光纖光柵應(yīng)變傳感器、1個光纖光柵溫度傳感器和1個絕對溫度補(bǔ)償傳感器。Ⅲ截面布設(shè)5個光纖光柵應(yīng)變傳感器和2個光纖光柵溫度傳感器，Ⅳ截面布設(shè)5個光纖光柵應(yīng)變傳感器和3個光纖光柵溫度傳感器。

圖4  主梁各截面上的傳感器布設(shè)位置

主梁截面的應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)選用的是表面焊接式FRP-OFBG應(yīng)變傳感器，如圖5所示。這種材料的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)變測試精度高、耐久性長的傳感器。

主梁溫度監(jiān)測系統(tǒng)選用無應(yīng)力影響光纖光柵溫度傳感器。其采用特殊方法封裝，即使埋入結(jié)構(gòu)中也不受外界的應(yīng)力變化的影響而只反映溫度變化，并且溫度靈敏度與精度高很高，可以很好的監(jiān)測環(huán)境溫度與結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度變化。

光纖傳感技術(shù)特別是光纖光柵型傳感技術(shù)在橋梁工程領(lǐng)域的顯著優(yōu)勢，不僅給橋梁健康監(jiān)測和安全評估注入了新的活力，而且還為橋梁實(shí)時監(jiān)測的發(fā)展帶來了契機(jī)。

光纖傳感器在智能穿戴設(shè)備中的應(yīng)用

如今，光纖傳感器的小型化，也被應(yīng)用在智能穿戴設(shè)備上。長時間的久坐以及不正確的坐姿，在不知不覺中傷害著人們的身體健康。

智能坐墊的主要功能就是坐姿監(jiān)測提醒。通過壓力傳感器和光纖傳感器，可以分辨出你現(xiàn)在的坐姿，識別出你是否前傾、后傾，是否久坐。當(dāng)你長時間坐著或者坐姿不標(biāo)準(zhǔn)時，會通過配套的APP提醒你。另外，通過光纖傳感器，監(jiān)測心跳、呼吸等數(shù)據(jù)，可以分析出你現(xiàn)在是否壓力過大，并給出建議。這一技術(shù)還可以將光纖傳感器植入到座椅、沙發(fā)甚至床墊中，也可以做成智能醫(yī)療產(chǎn)品，應(yīng)用于健康監(jiān)測領(lǐng)域。

光纖傳感技術(shù)不斷吸取光纖通信的新技術(shù)（如新的半導(dǎo)體光源、新型光纖）、新器件，在如今的物聯(lián)網(wǎng)時代也將有更廣闊的應(yīng)用前景，全光物聯(lián)網(wǎng)有望在將來成為一種新的物聯(lián)網(wǎng)形式。

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光纖傳感器與測量技術(shù)是當(dāng)今傳感器技術(shù)領(lǐng)域新的發(fā)展引應(yīng)用，其測量用的光纖傳感器有很多種類，有很多種工作方式。國內(nèi)市場上光纖傳感器應(yīng)用主要在以下四種：光纖陀螺、光纖光柵傳感器、光纖電流傳感器和光纖水聽器。下面對這四種產(chǎn)品分別介紹一下。

光纖傳感器應(yīng)用種類

一、光纖陀螺。

光纖陀螺按原理可分為干涉型、諧振型和布里淵型，這是三代光纖陀螺的代表。第一代干涉型光纖陀螺，目前該項技術(shù)已經(jīng)成熟，適合進(jìn)行批量生產(chǎn)和商品化；第二代諧振型光纖陀螺，暫時還處于實(shí)驗(yàn)室研究向?qū)嵱没七M(jìn)的發(fā)展階段；第三代布里淵型，它還處于理論研究階段。

光纖陀螺結(jié)構(gòu)根據(jù)所采用的光學(xué)元件有三種實(shí)現(xiàn)方法：小型分立元件系統(tǒng)、全光纖系統(tǒng)和集成光學(xué)元件系統(tǒng)。目前分立光學(xué)元件技術(shù)已經(jīng)基本退出，全光纖系統(tǒng)用在開環(huán)低精度、低成本的光纖陀螺中，集成光學(xué)器件陀螺由于其工藝簡單、總體重復(fù)性好、成本低，所以在高精度光纖陀螺很受歡迎，是其主要實(shí)現(xiàn)方法。

二、光纖光柵傳感器

目前國內(nèi)外傳感器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一光纖布拉格光柵傳感器。傳統(tǒng)光纖傳感器基本上可分為兩種類型：光強(qiáng)型和干涉型。光強(qiáng)型傳感器的缺點(diǎn)在于光源不穩(wěn)定，而且光纖損耗和探測器容易老化；干涉型傳感器由于要求兩路干涉光的光強(qiáng)同等，所以需要固定參考點(diǎn)而導(dǎo)致應(yīng)用不方便。

目前開發(fā)的以光纖布拉格光柵為主的光纖光柵傳感器可以避免出現(xiàn)上面兩種情況，其傳感信號為波長調(diào)制、復(fù)用能力強(qiáng)。在建筑健康檢測、沖擊檢測、形狀控制和振動阻尼檢測等應(yīng)用中，光纖光柵傳感器是最理想的靈敏元件。光纖光柵傳感器在地球動力學(xué)、航天器、電力工業(yè)和化學(xué)傳感中有廣泛的應(yīng)用。

三、光纖電流傳感器

電力工業(yè)的迅猛發(fā)展帶動電力傳輸系統(tǒng)容量不斷增加，運(yùn)行電壓等級也越來越高，電流也越來越大，這樣測量起來就非常困難，這就顯現(xiàn)出光纖電流傳感器的優(yōu)點(diǎn)了。在電力系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的用來測量電流的傳感器是以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)，這就存在以下缺點(diǎn)：它容易爆炸以至引起災(zāi)難性事故；大故障電流會造成鐵芯磁飽和；鐵芯發(fā)生共振效應(yīng)；頻率響應(yīng)慢；測量精度低；信號易受干擾；體積重量大、價格昂貴等等，已經(jīng)很難滿足新一代數(shù)字電力網(wǎng)的發(fā)展需要。這個時候光纖電流傳感器應(yīng)運(yùn)而生。

四、光纖水聽器

光纖水聽器主要用來測量水下聲信號，它通過高靈敏度的光纖相干檢測，將水聲信號轉(zhuǎn)換為光信號，并通過光纖傳至信號處理系統(tǒng)進(jìn)行識別。與傳統(tǒng)水聽器相比，光纖水聽器具有靈敏度高、響應(yīng)帶寬寬、不受電磁干擾等特點(diǎn)，廣泛用于軍事和石油勘探、環(huán)境檢測等領(lǐng)域，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。光纖水聽器按原理可分為干涉型、強(qiáng)度型、光柵型等。干涉型光纖水聽器關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展成熟，在部分領(lǐng)域形成產(chǎn)品；光纖光柵水聽器則是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，研究的關(guān)鍵技術(shù)涉及光源、光纖器件、探頭技術(shù)、抗偏振衰落技術(shù)、抗相位衰落技術(shù)、信號處理技術(shù)、多路復(fù)用技術(shù)以及工程技術(shù)等。

結(jié)合這幾種應(yīng)用型的光纖傳感器種類，我們來看看在實(shí)際應(yīng)用場景中的光纖傳感器

光纖傳感器在周界安防領(lǐng)域的應(yīng)用

在眾多周界安防監(jiān)控技術(shù)中，光纖傳感技術(shù)脫穎而出， 幾乎可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)傳感器所有的功能， 可以對位移、震動、壓力、溫度、速度、流量等各種物理量進(jìn)行檢測，具有靈敏度高、無電磁輻射、動態(tài)范圍大、適應(yīng)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，是安防技術(shù)發(fā)展的主流方向。

在光纖傳感安防應(yīng)用領(lǐng)域， 研制出了各種類型和各種功能的光纖探測器，成功地運(yùn)用于各國政府、軍隊、銀行、機(jī)場、港口、石油公司、核電站等，涉及的領(lǐng)域包括：周界、管線、通信、市政、監(jiān)獄安全監(jiān)控等。

光纖傳感器在安防領(lǐng)域的應(yīng)用主要在如下三個方面：

周界安全監(jiān)控系統(tǒng)

軍事基地、核電站、邊境線等重要設(shè)施通常都地處環(huán)境惡劣的地域，氣候條件復(fù)雜，同時這些設(shè)施的周界安全等級比較高，而這些地方的基礎(chǔ)設(shè)施也比較差，甚至沒有野外供電的條件，這對周界安防系統(tǒng)提出了更高的要求。光纖周界安全監(jiān)控系統(tǒng)有一款室外無源監(jiān)控系統(tǒng)，可以將監(jiān)控主機(jī)架設(shè)在監(jiān)控室，通過引導(dǎo)光纜將傳感光纜受到的震動信息傳遞到監(jiān)控中心，所有室外設(shè)備均為無源器件，無需野外供電，可以提供有效的周界安全監(jiān)控。

管道安全監(jiān)控系統(tǒng)

管道安全監(jiān)控是一項艱巨而復(fù)雜的任務(wù)，管線因施工不當(dāng)被破壞，造成重大污染和經(jīng)濟(jì)損失。常規(guī)的檢測方法是派人員沿管線巡查，也有采用一些傳統(tǒng)的監(jiān)測手段，但實(shí)踐證明效果有限。光纖管道安全監(jiān)控系統(tǒng)可以有效地解決上述問題，將傳感光纜沿管線埋設(shè)，通過光纖感受管線周圍的震動，并將此信息傳輸給監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行分析、判斷，排除一般性干擾，最終產(chǎn)生報警，告知值班人員管線出現(xiàn)事故的區(qū)域。該系統(tǒng)特別適用于化工廠和大型油庫中的石油管線安全監(jiān)控，以及大型社區(qū)市政設(shè)施中的天然氣管線、電力管線和飲水管線等的安全監(jiān)控。

骨干光纜安全監(jiān)控系統(tǒng)

骨干光纜是現(xiàn)代通信的基礎(chǔ)和重要通道，光纜運(yùn)營安全和信息內(nèi)容安全關(guān)系著國民經(jīng)濟(jì)和國家安全，因此骨干光纜的安全監(jiān)測就顯的十分重要。傳感的光時域反射儀(OTDR)雖然可以對光纖進(jìn)行檢測，但它也有局限性，存在盲區(qū)，不能進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，特別是通過高科技手段不用折斷光纖就可以神不知鬼不覺地盜竊光纖中傳輸?shù)男畔?，而傳統(tǒng)的監(jiān)測手段是無法發(fā)現(xiàn)的。光纖骨干光纜安全監(jiān)控系統(tǒng)通過接入光纜豎井中的光纖，對整個光纜進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)有不法分子企圖盜竊光纜內(nèi)部的信息而觸碰光纜時，系統(tǒng)立即產(chǎn)生報警，可以有效地保證骨干光纜的信息安全。該系統(tǒng)特別適用于政府大樓、軍事機(jī)關(guān)、銀行，以及機(jī)要和通信部門對骨干光纜安全進(jìn)行監(jiān)控。

周界安防監(jiān)控系統(tǒng)工作原理是基于多模光纖模式干涉探測技術(shù)，其基本檢測原理如下：

光在多模光纖中產(chǎn)生一個隨機(jī)強(qiáng)度的光譜，形成光斑。如果光纖沒有受到外界擾動，則該光譜相對是不變的。當(dāng)光纖受到外界擾動時，如：移動、振動或受到壓力時，這些光譜發(fā)生相應(yīng)的改變，光纖檢測器可以檢測到光譜發(fā)生了變化，并可確定外界發(fā)生了什么事件。

各種場合和領(lǐng)域的周界安防產(chǎn)品，既有防區(qū)式光纖傳感器，也有分布式定位光纖傳感器，形成適合于短、中、長三種周界系列監(jiān)控系統(tǒng)。與其它類型的安防產(chǎn)品配合使用，如：紅外探測器、激光掃描器、紅外冪簾等，采取由外到內(nèi)的多層防護(hù)手段，可以為用戶提供全面安全、可靠的安全防護(hù)體系。

光纖傳感器在石油行業(yè)中的應(yīng)用

在油田的開發(fā)過程中，人們需要知道在產(chǎn)液或注水過程中有關(guān)井內(nèi)流體的持性與狀態(tài)的詳細(xì)資料，這就要用到石油測井，其可靠性和準(zhǔn)確性是至關(guān)重要的。光纖傳感器可以克服在井下惡劣的環(huán)境諸如高溫、高壓、腐蝕、地磁地電干擾下工作?？梢愿呔鹊販y量井筒和井場環(huán)境參數(shù)，同時，光纖傳感器具有分布式測量能力，可以測量被測量的空間分布，給出剖面信息。而且，光纖傳感器橫截面積小，外形短，在井筒中占據(jù)空間極小。

以下分別對油田作業(yè)中，光纖傳感器能實(shí)現(xiàn)的檢測任務(wù)做介紹：

1、儲層參數(shù)監(jiān)測

1）壓力監(jiān)測

由于開發(fā)方案的需要，對油藏壓力的管理需要特別謹(jǐn)慎，這樣做的目的是減少因在低于泡點(diǎn)壓力的狀態(tài)下開采所造成的原油損失，減少在注氣過程中因油藏超壓將原油擠入含水層所造成的原油損失。

傳統(tǒng)的井下壓力監(jiān)測采用的傳感器主要有應(yīng)變壓力計和石英晶體壓力計，應(yīng)變式壓力計受溫度影響和滯后影響，而石英壓力計會受到溫度和壓力急劇變化的影響。在壓力監(jiān)測時，這些傳感器還涉及安裝困難、長期穩(wěn)定性差等問題。

井下光纖傳感器沒有井下電子線路、易于安裝、體積小、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而這些正是井下監(jiān)測所必需的。用布拉格光纖光柵傳感器實(shí)行井下監(jiān)測，對溫度不敏感，最高工作溫度為300℃，最高測量壓力82MPa，在最高測量壓力下，對溫度的靈敏度極小，可以適用于井下的壓力監(jiān)測。

2）溫度監(jiān)測

分布式光纖溫度傳感器具有通過沿整個完井長度連續(xù)性采集溫度資料來提供一條監(jiān)測生產(chǎn)和油層的新途徑的潛力。因?yàn)榫臏囟绕拭娴淖兓梢耘c其它地面采集的資料（流量、含水、井口壓力等）以及裸眼測井曲線對比，從而為操作者提供有關(guān)出現(xiàn)在井下的變化的定性和定量信息。

傳統(tǒng)的測溫工具只能在任何給定時間內(nèi)測量某個點(diǎn)的溫度，要測試全范圍的溫度，點(diǎn)式傳感器只能在井中來回移動才能實(shí)現(xiàn)，不可避免地對井內(nèi)環(huán)境平衡造成影響。

光纖分布式溫度傳感器的優(yōu)勢在于光纖無須在檢測區(qū)域內(nèi)來回移動，能保證井內(nèi)的溫度平衡狀態(tài)不受影響。而且由于光纖被置于毛細(xì)鋼管內(nèi)，因此凡毛細(xì)鋼管能通達(dá)的地方都可進(jìn)行光纖分布式溫度傳感器測試。

最廣泛地應(yīng)用于井下監(jiān)測應(yīng)用的光纖傳感器之一就是拉曼反向散射分布式溫度探測器，這種方法已經(jīng)在測量井筒溫度剖面（特別是在蒸汽驅(qū)井）中，得到了廣泛的應(yīng)用。

目前的光纖溫度、壓力傳感器的最主要的缺點(diǎn)之一就是溫度壓力交叉敏感特性，如何消除或者利用這種交叉敏感特性是研究的熱點(diǎn)。

3）多相流監(jiān)測

為了做好油藏監(jiān)控和油田管理，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是獲得生產(chǎn)井和注水井穩(wěn)定可信的總流量剖面和各相流體的持率。然而，大多數(shù)油井分層開采，每層含水量不同，而且有時流速較大，給利用常規(guī)生產(chǎn)測井設(shè)備測量和分析油井的生產(chǎn)狀況帶來了巨大的困難。

光纖測量多相流有兩種方法，第一種是持氣率光纖傳感儀，該儀器能直接測量多相流中持氣率。其四個光纖探頭均勻地分布在井筒的橫剖面中，其空間取向方位可用一個集成化的相對方位傳感器準(zhǔn)確測量，在氣液混合物中，通過探頭反射的光信號來確定持氣率和泡沫數(shù)量（這二者與氣體流量相關(guān)聯(lián)）。

此外，利用每個探頭的測量值來建立一種井中氣體流動的圖像，可以更好地了解多相流流型以及解釋在傾斜條件下這些流型固有的相分離。它提供的資料能直接測定和量化多相混合物中氣體和液體，能準(zhǔn)確診斷井眼問題，并有助于生產(chǎn)調(diào)整。儀器通過了三口井的現(xiàn)場測試。

第二種是通過測量聲速來確定兩相混合流的相組分，因?yàn)榛旌狭黧w的聲速與各單相流體的聲速和密度具有相關(guān)性，而這個相關(guān)性普遍存在于兩相氣/液和液/液混合流體系統(tǒng)中，同時也適用于多相混合流系統(tǒng)。根據(jù)混合流體的聲速確定各相流體的體積分?jǐn)?shù)，就是測量流過流量計的各單相體積分?jǐn)?shù)（即持率測量）。

某一流體相持率是否等于該相流動體積分?jǐn)?shù)，取決于該相相對于其它相是否存在嚴(yán)重的滑脫現(xiàn)象。對于不存在嚴(yán)重滑脫的油水兩相混合流系統(tǒng)，可以用均勻流動模型進(jìn)行分析；對于存在嚴(yán)重滑脫現(xiàn)象的流動狀態(tài)，則必須應(yīng)用更完善的滑脫模型來解釋流量計測量的數(shù)據(jù)，才能準(zhǔn)確地確定各相的流量。對于油水混合流體，流量計的長波長聲速測量可以確定各相體積分?jǐn)?shù)（即持率），而不受流動非均質(zhì)性（如層狀流動）的影響。

2、聲波測量

與過去相比，勘探開發(fā)公司如今面臨更大的風(fēng)險和更復(fù)雜的鉆井環(huán)境，因此獲得準(zhǔn)確的地層構(gòu)造圖和油藏機(jī)理具有重要意義。

目前使用的地震測量方法，如拖曳等浮電纜檢波器組、臨時海底布放地震檢波器和井下電纜布放地震檢波器等，能提供目的產(chǎn)油區(qū)域的測量，但這些方法具有相對高的作業(yè)費(fèi)用，不能下入井內(nèi)或受環(huán)境條件的限制等，而且提供的圖像不全面、不連續(xù)，分辨率不是很高，因此難于實(shí)現(xiàn)連續(xù)實(shí)時油藏動態(tài)監(jiān)測。

基于光纖的井下地震檢波器系統(tǒng)能夠解決這些問題，它能提供整個油井壽命期間永久高分辨率四維油藏圖像，極大方便了油藏管理。這種井下地震加速度檢波器能接收地震波，并將其處理成地層和流體前緣圖像。

永久井下光纖3分量地震測量具有高的靈敏度和方向性，能產(chǎn)生高精度空間圖像，不僅能提供近井眼圖像，而且能提供井眼周圍地層圖像，在某些情況下測量范圍能達(dá)數(shù)千英尺。它在油井的整個壽命期間運(yùn)行，能經(jīng)受惡劣的環(huán)境條件（溫度達(dá)175℃，壓力達(dá)100MPa），且沒有可移動部件和井下電子器件，被封裝在直徑2.5cm的保護(hù)外殼中，能經(jīng)受強(qiáng)的沖擊和振動，可安裝到復(fù)雜的完井管柱及小的空間內(nèi)。此外，該系統(tǒng)還具有動態(tài)范圍大和信號頻帶寬的特點(diǎn)，其信號頻帶寬度為3Hz～800Hz，能記錄從極低到極高頻率的等效響應(yīng)。

3、激光光纖核測井技術(shù)

激光技術(shù)和光纖技術(shù)可以用于研制井下傳感器，用于在充有原油和泥漿等非透明流體的井中進(jìn)行測井。

激光光纖核傳感器是在光纖通信和光纖傳感器的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，它利用了光致?lián)p耗和光致發(fā)光等物理效應(yīng)，比常規(guī)核探測器具有更多的優(yōu)越性，是典型的學(xué)科交叉。光纖核測井技術(shù)，實(shí)際上就是在特定的環(huán)境下的核探測技術(shù)，其典型的優(yōu)點(diǎn)為：

（1）可以針對不同的核探測的能級范圍，研制在該范圍的敏感探頭。

（2）因?yàn)閼?yīng)用了光致發(fā)光效應(yīng)，可使探頭位于千米的井下，而光電倍增管由傳輸光纜相連置于井上，遠(yuǎn)離了惡劣的井下環(huán)境（高溫高壓），從而延長其的使用壽命。

（3）光纖具有高速率、大容量傳輸能力，還能搭載其他井下儀器信號。

然而，激光光纖核探測器也有缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在耐高溫和承受高壓的保護(hù)涂層、傳輸光纜的機(jī)械強(qiáng)度以及耐輻射的傳輸光纜低衰減損耗。

光纖傳感在電力安全領(lǐng)域的應(yīng)用

電力系統(tǒng)是國家建設(shè)的基礎(chǔ)，是國民經(jīng)濟(jì)的命脈所在，電力作為國家重要的能源供給設(shè)施，安全防范自是重中之重。

電力系統(tǒng)自動化建設(shè)和改造不斷發(fā)展完善，而電力系統(tǒng)是由發(fā)電、輸電、變電、配電和用電等環(huán)節(jié)組成，需對各個環(huán)節(jié)具備安全防范手段。

分布式光纖傳感技術(shù)，將整個長度范圍內(nèi)的光纖均用作傳感器，探測在光纖敷設(shè)范圍內(nèi)任意點(diǎn)的特定信息。

基于彈光效應(yīng)和白光干涉技術(shù)，開發(fā)的分布式光纖監(jiān)測技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)從發(fā)電到輸變電整個電力供應(yīng)環(huán)節(jié)的安全監(jiān)控整體解決。

該技術(shù)從光纖振動傳感與溫度傳感兩方面著手，開發(fā)了針對電力系統(tǒng)應(yīng)用性極強(qiáng)的系列產(chǎn)品。該技術(shù)利用了光纖本質(zhì)是弱電器件的優(yōu)點(diǎn)，對能源依賴小，野外布設(shè)方便，不怕雷擊電閃；利用了光纖是一種無源器件的優(yōu)點(diǎn)，因此，防火、防爆，無電磁干擾，更抗電磁干擾，非常適合長距離、大范圍、難以人力全面監(jiān)控的場合；利用了光纖本身不含金屬的特點(diǎn)，因此，在野外苛刻的自然環(huán)境中，不會腐蝕，不怕雨雪，甚至可用于濕地與海域。

無人值守電站

無人值守電站的安全，電力設(shè)施、設(shè)備的破壞情況屢有發(fā)生。 變電站園區(qū)周界入侵探測報警系統(tǒng)，成為保證變電站安全運(yùn)行的最外層、最必要屏障。

光纖振動傳感技術(shù)采用光纖作為前端介質(zhì)，同時通過光纖將前端信號傳輸至監(jiān)控中心主機(jī)主，主機(jī)響應(yīng)后通過電力專網(wǎng)向遠(yuǎn)程調(diào)度中心或市局、上級機(jī)構(gòu)傳輸信號，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控。

高壓電塔安全監(jiān)控系統(tǒng)

高壓電塔危險性極強(qiáng)，塔架附近一定區(qū)域都需作無人區(qū)隔離，保證一定的安全距離。

光纖振動傳感技術(shù)通過埋設(shè)在無人區(qū)高壓塔架周圍的光纜，或者綁扎在高壓塔架底部支架上的光纜，在有人員進(jìn)入禁行區(qū)，或開始攀爬塔架的時候，第一時間進(jìn)行報警。安保人員通過監(jiān)控室顯示的塔架位置及時進(jìn)行定位，并出動人員及早進(jìn)行干預(yù)。能有效將危險及早進(jìn)行扼制。

輸電干線安全監(jiān)控

輸電線路是電網(wǎng)運(yùn)行的命脈，它在輸送能源的同時又相當(dāng)?shù)拇嗳?，任何外力的破壞，都有可能造成大面積停電。外力破壞(如盜竊、施工)、環(huán)境污染、自然災(zāi)害一直是威脅電網(wǎng)安全的重大隱患，而對于地震、臺風(fēng)、洪水等自然災(zāi)害有可能造成的電網(wǎng)大面積癱瘓，目前還缺乏系統(tǒng)性研究和評估，沒有建立相應(yīng)的預(yù)警機(jī)制。

利用光纖傳感技術(shù)對輸電線路進(jìn)行安全監(jiān)控，是采用沿輸電線路布設(shè)的光纖單芯定位等一系列創(chuàng)新技術(shù)，通過對輸電線路上發(fā)生的觸碰(或刮擦)光纜、接頭盒、光芯等擾動的實(shí)時監(jiān)測，采集和分析信息，判定擾動發(fā)生的位置、類型、強(qiáng)度，以幫助線路維護(hù)人員及時發(fā)現(xiàn)輸電線路的破壞行為。該系統(tǒng)解決了當(dāng)前輸電干線安全缺乏有效監(jiān)測手段的問題，不僅能夠在事件發(fā)生時實(shí)時監(jiān)測、準(zhǔn)確定位、智能分析，還可以實(shí)現(xiàn)對事故發(fā)生的預(yù)警，有效解決對線路損毀的預(yù)警監(jiān)測，為安保人員提供告警、智能分析和輔助決策支持。

分布式溫度傳感監(jiān)測

電廠與變電站電纜橋架、電纜隧道、電纜夾層、電纜溝、電纜豎井、開關(guān)設(shè)備、變壓器、電阻排等電力設(shè)備在長期的高壓中常因發(fā)熱而老化引起火災(zāi)，經(jīng)過多年來火災(zāi)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)的火災(zāi)事故都是由于溫度過高引起的。如果能夠在火災(zāi)潛伏期溫度緩慢的上升過程中就能即時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患并采取相應(yīng)措施，無疑是最佳的防范時機(jī)。

傳統(tǒng)形式的火災(zāi)探測系統(tǒng)其傳感部件通常是電磁式元件，而在電力行業(yè)的應(yīng)用場合，設(shè)備上都有著高壓，它的周圍有很強(qiáng)的電磁干擾，導(dǎo)致傳統(tǒng)的探測器誤報、漏報時常發(fā)生。 

分布式光纖測溫傳感技術(shù)是目前國際上最先進(jìn)的測溫技術(shù)。DTS分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)，能在整個連續(xù)的光纖上，以距離的連續(xù)函數(shù)形式，測量和顯示出光纖上各點(diǎn)的溫度值。這種技術(shù)只需一根光纖就可以測量十公里距離的溫度。對于電力系統(tǒng)的溫度監(jiān)測，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)是一種十分有效的監(jiān)測設(shè)備。

它基于目前最先進(jìn)的光纖、激光和信號處理技術(shù)。采用光纖作為溫度信息采集的傳感器。通過測量入射激光在光纖中不同距離處產(chǎn)生的散射波，測知沿光纖分布的各點(diǎn)的實(shí)時溫度信息。該系統(tǒng)專門應(yīng)用于區(qū)域(多點(diǎn)、線性、面型)測溫，并可以實(shí)現(xiàn)對溫度引起的過熱、過冷、火情隱患等進(jìn)行預(yù)判和報警。 

綜上所述，光纖傳感技術(shù)可以整體解決電力行業(yè)各個環(huán)節(jié)從安全防范至安全生產(chǎn)的綜合安全監(jiān)控，得到電力行業(yè)的廣泛重視，并開始被廣泛應(yīng)用。

光纖傳感器在橋梁健康監(jiān)測中的應(yīng)用

隨著工業(yè)與交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，橋梁對交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展具有重大影響，橋梁的跨度增加以及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜趨勢，使得其安全隱患受到大家更多的關(guān)注，因此我們需要對橋梁進(jìn)行更好的健康監(jiān)測。橋梁的健康監(jiān)測實(shí)際上是通過對橋梁結(jié)構(gòu)的無損檢測、實(shí)時監(jiān)測橋梁的整體結(jié)構(gòu)，對其損傷位置和程度進(jìn)行診斷，為橋梁的維修以及管理提供幫助。 

隨著光纖傳感技術(shù)用于復(fù)合材料的發(fā)展，把光纖傳感系統(tǒng)埋入水泥結(jié)構(gòu)形成能夠感知應(yīng)力和斷裂損傷的能力。光纖傳感器因?yàn)榫哂匈|(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)小，信息量大，不受電磁干擾，容易埋入結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，可以對橋梁進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)測和控制，從而實(shí)現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的目的。目前，最廣泛使用的是光纖光柵型傳感器，是橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的重要工具之一。

橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，包括測量車輛荷載、溫度、撓度、應(yīng)變、主梁振動、斜拉索振動六個子系統(tǒng)； 

下面就幾個具體的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行簡單的介紹。

拉索應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)

在斜拉索結(jié)構(gòu)大橋中，大橋的主梁及通過的汽車荷載均由拉索承擔(dān)，拉索是特別容易產(chǎn)生損傷的結(jié)構(gòu)，其壽命往往比橋梁其他構(gòu)件的壽命都要短，因此要準(zhǔn)確及時掌握拉索的內(nèi)力及其變化特征至關(guān)重要。

在天津的永和大橋的監(jiān)測中，在44組拉索中每組拉索選擇1根作為監(jiān)測對象布設(shè)傳感筋，總計44根智能索。

圖1  永和大橋的結(jié)構(gòu)圖

如下圖2所示光纖光柵智能索內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。其中36根索內(nèi)只設(shè)2個光纖光柵應(yīng)變傳感器，另外的8根索中除布設(shè)2個光纖光柵應(yīng)變傳感器外還布設(shè)了1個溫度補(bǔ)償光纖光柵傳感器。在大橋的拉索檢測系統(tǒng)中選用了GFRP-OFBG復(fù)合智能筋，其具有精度高，分辨率高，靈敏度強(qiáng)，反射率大于90%，最重要的是耐久性長達(dá)25年之久。

   圖2   智能索內(nèi)部結(jié)構(gòu)

主梁應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)

在橋面主梁的監(jiān)測中，主梁上不僅要安設(shè)光纖光柵應(yīng)力傳感器還要在特定的位置安裝光纖光柵溫度傳感器，并完成應(yīng)變傳感器的溫度補(bǔ)償；對主梁結(jié)構(gòu)的溫度場監(jiān)測是為了將溫度場作為參數(shù)，研究溫度應(yīng)力及溫度導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)動力特性變化。

圖3  主梁應(yīng)力監(jiān)測截面位置

如圖4所示，其中在I、VI截面上分別布設(shè)3個光纖光柵應(yīng)變傳感器、1個光纖光柵溫度傳感器和1個絕對溫度補(bǔ)償傳感器；II、V截面上分別布設(shè)5個光纖光柵應(yīng)變傳感器、1個光纖光柵溫度傳感器和1個絕對溫度補(bǔ)償傳感器。Ⅲ截面布設(shè)5個光纖光柵應(yīng)變傳感器和2個光纖光柵溫度傳感器，Ⅳ截面布設(shè)5個光纖光柵應(yīng)變傳感器和3個光纖光柵溫度傳感器。

圖4  主梁各截面上的傳感器布設(shè)位置

主梁截面的應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)選用的是表面焊接式FRP-OFBG應(yīng)變傳感器，如圖5所示。這種材料的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)變測試精度高、耐久性長的傳感器。

主梁溫度監(jiān)測系統(tǒng)選用無應(yīng)力影響光纖光柵溫度傳感器。其采用特殊方法封裝，即使埋入結(jié)構(gòu)中也不受外界的應(yīng)力變化的影響而只反映溫度變化，并且溫度靈敏度與精度高很高，可以很好的監(jiān)測環(huán)境溫度與結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度變化。

光纖傳感技術(shù)特別是光纖光柵型傳感技術(shù)在橋梁工程領(lǐng)域的顯著優(yōu)勢，不僅給橋梁健康監(jiān)測和安全評估注入了新的活力，而且還為橋梁實(shí)時監(jiān)測的發(fā)展帶來了契機(jī)。

光纖傳感器在智能穿戴設(shè)備中的應(yīng)用

如今，光纖傳感器的小型化，也被應(yīng)用在智能穿戴設(shè)備上。長時間的久坐以及不正確的坐姿，在不知不覺中傷害著人們的身體健康。

智能坐墊的主要功能就是坐姿監(jiān)測提醒。通過壓力傳感器和光纖傳感器，可以分辨出你現(xiàn)在的坐姿，識別出你是否前傾、后傾，是否久坐。當(dāng)你長時間坐著或者坐姿不標(biāo)準(zhǔn)時，會通過配套的APP提醒你。另外，通過光纖傳感器，監(jiān)測心跳、呼吸等數(shù)據(jù)，可以分析出你現(xiàn)在是否壓力過大，并給出建議。這一技術(shù)還可以將光纖傳感器植入到座椅、沙發(fā)甚至床墊中，也可以做成智能醫(yī)療產(chǎn)品，應(yīng)用于健康監(jiān)測領(lǐng)域。

光纖傳感技術(shù)不斷吸取光纖通信的新技術(shù)（如新的半導(dǎo)體光源、新型光纖）、新器件，在如今的物聯(lián)網(wǎng)時代也將有更廣闊的應(yīng)用前景，全光物聯(lián)網(wǎng)有望在將來成為一種新的物聯(lián)網(wǎng)形式。