时间：2022-12-21 14:31:04
关键词：光纤传感 光纤传感网 微结构 非线性光学 光纤扰动
中图分类号：TN523 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（b）-0047-02
光纤传感技术因其具有抗电磁干扰、电绝缘、体积小、易成阵列等优点，自从问世就受到极大重视[1]。光纤传感技术在实际应用中，往往是将各种传感器组成光纤传感网，对多种信号进行测量。但是目前传感器受结构、工艺束缚，系统稳定性较差，光纤传感网技术的应用范围受到限制。随着我国国民经济的飞速发展，各个领域对更高精度、多指标检测方面需求越来越迫切，这就对光纤传感检测系统提出了更高要求。因此，国家将新一代光纤智能传感网与关键器件基础研究列为国家重点基础研究发展计划（973计划），对关键性原理、器件的研究进行重点支持。
新一代光纤智能传感网是一种具有3S（Smart structure 灵巧结构，Smart components 灵巧器件，Smart skill 灵巧技术）功能的系统，具有超长距离传感能力，并且能够智能的实现自寻径、自诊断、自愈等功能。该传感网的研究主要涉及四个关键性科学问题：研究微结构中物质与光波耦合作用的机理；研究基于非线性光学散射效应融合的光纤传感技术；研究基于光纤扰动理论的光纤传感技术；研究光纤智能传感网的优化技术及其应用理论。
1 微结构光纤传感研究
随着光纤传感技术应用领域的扩展、应用场合空间限制等因素，对光纤传感器的尺寸及结构提出了更高的要求，因此需要开展基于新型敏感元件、新原理的光纤传感研究。目前主要的研究方向为新型光子晶体光纤传感和基于光微流体理论的光纤传感。
1.1 新型光子晶体光纤传感
光子晶体光纤（PCF）是一种基于光子晶体特性的新型光纤，主要特点是包层区有许多平行于光纤轴的微孔。目前大部分光纤传感器的敏感元件为普通的光纤，因此存在保偏性差、耦合损耗大等问题，而采用光子晶体光纤的传感器不仅能够克服上述缺点，还具有调谐范围宽、模场面积大、可以多参数测量等优点。据报道，目前利用光子晶体光纤传感器对三聚氰胺的最低检测浓度可以达到0.25 g/L，砒啶的最低检测浓度达到0.004975%，为公共安全及食品安全领域提供了一个新的检测方法。
燕山大学是国内最早开展相关研究的单位之一，在光子晶体光纤的制备与应用方面经验丰富。燕山大学的毕卫红、李建萍等[2]研制了一种双周期光子晶体光纤光栅传感器，该传感器可对折射率及温度进行检测。天津大学在光子晶体光纤领域也开展了相关研究[3-4]，研制了灵敏度为2400 nm/RIU的光子晶体光纤传感器、最高分辨率为4×10-6 RIU的液芯PCF-SPR温度传感器和具有可调谐温度跳变点的温敏光开关。
1.2 基于光微流体理论的光纤传感
基于光微流体理论的光纤传感技术是近些年发展起来的新兴技术，通过检测折射率实现对生物、化学参量的无标记检测，可以检测蛋白质、DNA、病毒等，在医学、食品检测、环境监测等领域具有广阔应用前景。天津大学对以微毛细管为基础的生物传感进行了深入研究。通过在毛细管中添加特殊介质，并采用在内壁涂覆高折射率基质层的方法，可以高灵敏度的进行传感检测。
近年来气体光纤传感越来越受到重视，天津大学的刘琨、刘铁根等[2]基于L波段EDFA构建了光纤内腔气体传感系统，同时串联标准具和光栅为系统提供波长参考，可以对CO2、CO等气体进行浓度检测。针对国家在航空航天方面的重大需求，天津大学研制了基于F-P干涉原理的大气压力解调系统，光纤F-P传感器[4]采用了MEMS微加工、键合封装等技术，解调算法方面，提出了任意极值算法、单色频域法。该系统有望应用于新型战机如J20、J15等，替代基于空速管的大气压力系统，从而达到抗电磁干扰、增强机体隐身性的要求。
2 基于非线性光学散射效应融合光纤传感研究
光纤的非线性效应主要是指拉曼散射效应和布里渊散射效应。光纤拉曼温度传感器可以应用于大型土木建筑、隧道、提坝、电力工程等领域。中国计量学院光电子研究所是国内最早开展相关研究的单位之一。该单位研究的相关系统[5]已经成功应用在许多领域，如在日照港卸煤设备上安装的光纤温度传感网系统，该系统监测到大型运煤翻车机电机过热并进行报警，成功避免了火灾，挽回经济损失1200余万元；部分高铁路段的隧道也应用了相关温度传感系统，对隧道内温度实时监测，预防火警，保障高铁列车的安全运行。
基于布里渊散射的光纤传感技术起步比较晚，但是由于其具有可测量多个物理量（温度、应变等）、传感距离长、易于实现网络化等优点，近年来备受关注。南京大学的胡君辉、张旭苹等[6]研究了一种长距自诊断方法，可以在72 km传感长度实现损坏自诊断。基于布里渊散射的光纤传感系统在工程实际中也被大量应用，例如南京市鼓楼隧道应变分布式光纤监测项目、云南嵩待公路白泥井3号隧道分布式光纤应变监测项目[8]。
3 基于光纤扰动的光纤传感
扰动（振动）是一种典型的动态变量，在军事、建筑、交通等各个领域都是一项重要参数。随着我国经济的快速发展以及国际竞争的加剧，信息安全建设的重要性日益凸显。尤其是2013年6月以来，美国特工斯诺登揭露的“棱镜门事件”深刻揭示了当前信息安全领域存在重大危机。因此保密场所周界环境安全监控、通信线路的安全监控等方面的安全防范措施变得非常重要，光纤扰动技术则可以满足这些需求。
光纤扰动及定位传感网采用的是光纤干涉传感技术，整根光纤都作为传感器，一旦有外界异常现象（压力、拉伸、振动等），将会引起光纤中传输光的干涉强度变化，通过检测这些变化可以实现扰动定位。复旦大学、天津大学、上海理工大学等高校的科研人员针对光纤扰动系统进行了大量研究。在部分军事通信光缆、机场、部队驻扎地等场所已经应用了分布式光纤扰动系统。上海市公安系统也率先应用全光纤侦听设备进行刑事侦查。
4 光纤智能传感网的优化及其应用理论研究
随着光纤传感技术在工程领域的应用，对光纤传感技术提出了新的要求：不但需要针对单一指标组网进行实时准确监测、测量，还需要获得被测对象的全面信息，以便提高监测的准确性，并能够实现对系统自身的自检自愈。
天津大学的张红霞、王舒等提出了一种针对光纤传感网鲁棒性的评价方法。丁振扬、姚晓天等采用去斜滤波器补偿主干涉拍频信号中的非线性相位或相位噪声的方法，使得基于OFDR 技术的光纤传感网空间分辨率提高了近100倍。
目前，多种光纤传感技术融合的传感网已经在实际中得到了应用。天津大学针对航天领域大规模高精度传感器密集排布以及独立空间组网的重大需求，采用光栅光纤温度测量系统、F-P压力测量系统以及声振动测量系统组网，初步完成适应热真空环境的多参量（温度、压力、振动）、多点位、高精度、高密度光纤异构智能传感网的组建。
5 结论
新一代智能光纤传感网是未来光纤传感技术的发展趋势，在国防军事、航空航天、土木工程等领域具有广泛应用前景。众多科研机构均开展了不同器件、基于不同原理的光纤传感技术研究，并取得了一定的应用成果，但是在基于微结构的传感器设计、相关解调算法、系统结构优化方面还有提升的余地。在国家973计划等重大科研项目推动下，光纤传感网技术将会更加成熟，在各个领域将发挥更大的作用，为提升我国在传感及光电子领域中的自主创新能力、增强我国信息产业的国际竞争力、促进国民经济的快速可持续发展做出更多更大的贡献。
参考文献
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[6] 王剑锋，宏岩，马建东，等.光开关在分布式光纤温度传感系统的应用研究[J].光电子.激光，2010， 21（9）：1291-1293.
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【关键词】光纤光栅；Bragg原理；在线检测；切削力
0 引言
随着光纤光栅制造技术的进步和性能的改善，光纤光栅传感器在传感器领域中会处于越来越重要的地位。传统的 “干涉型”光纤传感器缺点日益明显，而以光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating， FBG）为主的光纤光栅传感器最主要的优点是传感信号为波长调制以及复用能力强，避免了干涉型光纤传感器相位测量模糊不清等问题。光纤布拉格光栅感测技术满足了抗电磁干扰强、可靠性高、易于实现数字通讯方面的测试要求，在切削系统测试数据的自动化管理等方面有广阔的应用前景。
本文首先对基于Bragg原理的光纤光的理论和工作原理作了具体的介绍；然后从技术路线方面分析了在线切削测量主要环节的技术核心；最后对切削力指数公式进行了曲线拟合，得出均方差值，验证了测量重复性；光纤光栅在线检测方法为切削力的精确测量提供了保障，在现代化机加工领域起着重大的作用。
1 基本理论
2 测量原理
光源将某个特定波长的光传输到光纤中，例如，波长的范围在1310nm～1390nm。刻写在光纤内部的布拉格光栅反射该特定波长的光，这部分的光被传输到解调仪中，而另一部分没有被布拉格光栅反射的光到达了光纤的另一端。当光纤Bragg光栅的某一部分受到切削力时，切削力会改变布拉格光栅反射的光的波长，有效折射率neff和光栅平面的周期间隔？撰会受到应力及温度T的影响，引起反射光波长的偏移，波长由λB增加到λ'B。从式（6）可以看出光栅对应变和温度的影响是不一样的。实际应用时，测力装置粘贴FBG位置远离刀尖，几乎不受切削热影响，因此认为FBG的温度不变化，波长的偏移量λB只受切削刀具应变改变的影响，则光纤光栅反射波长的偏移可用式（7）表示。如图1所示为光纤Bragg光栅感测原理图。
3 系统设计与技术分析
通过建立并标定光纤Bragg光栅的应变响应与切削力产生的应变的关系，由Bragg波长的变化测量出应力的变化。光纤布拉格光栅感测系统由光源、FBG、光学变换、光电探测、解调滤波器、PC机、网口和显示输出装置组成，光纤光栅解调最直接的方法是利用虚拟光谱仪。系统的基本构成如图2所示。
加工过程中产生的切削力通过刀杆传递给测力装置内嵌的弹性元件，弹性元件表面粘贴的FBG采集应变量信息，刀具切削引起的应变ε作用于光栅上。同时，光源将光入射到光纤中，由于纤芯折射率周期性变化，使光纤中向前和向后传输的电磁波耦合。光栅周期？撰发生变化，这样就改变了中心布拉格波长λB的大小。布拉格的中心波长λB光谱峰值的移动通过光谱仪中的成像反光镜成像在阵列接收器的接收面上，形成光谱谱面。让整个光谱中任一个微小谱带照射到光电探测器的像元上，探测器将移相后的光信号转换成电信号。然后经过解调滤波，由PC机进行数据处理和分析，最后显示器显示输出或者通过网口实现远传，就可以直接在计算机上确定应力σ的数值。
4.2 测力系统重复性分析
为了验证相同切削用量条件下测量结果的可重复性，试验中主轴转速取200r/min，刀具进给量0.13mm/r，切削深度为0.25mm进行动态切削实验。x、y、z三个方向加载后应变值的测量数据见表5。
5 结论
研究结果表明，Bragg光栅光纤切削力在线检测的测量结果的均方差值很小，测量精度高、可重复性好、分辨能力强。Bragg光栅调制技术创造性地将传感、在线检测、远传原有的技术有机组合，是一种新型的创新技术。接下来的工作将致力于光纤光栅的温度补偿领域，从而使这种先进的技术能够更有效、广泛的应用于高温机加工等工作温度环境十分恶劣的条件。
【参考文献】
[1]刘兆妍，雷振山.应用光纤光栅和虚拟仪器的切削力测量技术[J].工具技术，2005，39（10）：3.
【关键词】智能电网;通信技术;作用
1.光纤通信技术的发展现状
光纤通信技术，对电力系统图通信的发展有着重要的作用。目前来看，光纤通信技术主要包括下列几种分类：
1.1 波分复用技术
所谓的波分复用技术就是将很多包含着信息，而且其波长还存在着差异的光信号进行合并，组成束状，仍然采用单根光纤进行信息的传输，同时在接收出对所接收到的光信号分类进行通信的技术。这种技术有如下几个特点;
第一，波分复用技术将光纤的低损耗波段予以了足够的运用，使光纤的信息传输量大幅增加，将原本一根光纤的信息传输容量进行扩充，相当于以前的几根。现在我们只能用到光纤低损耗谱（1310nm-1550nm）的很少的一小部分，与此同时其还有很大的利用空间等着我们去发展。
第二，是传送的信号功能多，因为只是利用一根光纤就可以传输以前所需的几根，所以同比而言传送的信号也就更大，对于数字信号和模拟信号而言，更具兼容性。
第三，非常的灵活，波分复用技术可以将原来具备的光纤系统，特别是那些芯数很少的光缆，进行极大的增容，可以实现单向或者多项的转化而不用在替换原来的光缆。
第四，如果出现了损害等故障问题，利用波分复用技术可以实现快速的修复，同时由于所需的光纤在数量上要少于原来，所以所需要的投入也会相应的减少，而且光缆少，那么即使出现了故障，修复起来也相对容易。
第五，因为源光设备具有共享性，所以如果增加新业务或者是需要多个信号进行传送，那么在成本的投入上要比以前少了很多。
第六，波分复用系统在稳定性上有很大的提高。因为在系统中大量减少了有源设备的使用，所以使得系统更加的稳定可靠。
1.2 光纤接入技术
所谓的光纤接入技术就是通过光纤作为传输的通道，运用激光传输技术的接入网络，一般将本地交换机或者远端设备与使用者之间所用的光纤通信或使用了部分光纤通信的系统。正常根据接入网室外传输设备中有没有有源设备可以将光纤接入技术分为有源和无源光纤两种。光纤接入技术的特点是：第一，因为管线接入技术有着宽带的性能，将其与双绞线和同轴缆进行比对发现，光纤在理论上来讲有着无限的宽带，同时每一个波长都可以传输10Gb/s，而且传输的频率也更高，这是另外两种缆线所不具备的。第二，光纤传输距离长 ，而且损耗小，如果增加了光放器，其传输的距离也要更远。第三，能够适应恶劣环境，同时防腐性能强，还不容易受到电磁等因素的干扰和破坏。第四，稳定性高，安全性能好，不容易被盗和窃听。
2.在智能电网中应用光纤通信技术
随着科技的发展，智能电网也得到了更多的关注和重视，我国在智能电网的建设上借助经济发展的有力支持，也开始迅速的建设开来。现在，在我国的电力系统中，电力专用光纤通信网络已经完成了建设，并投入到使用中区，而且传感器的网络发展也是急速发展，两者的共同进步和发展对促进电力系统智能电网的建设和发展有着非常重要的作用。
2.1 在智能电网通信网络的建设中运用光纤通信技术
光纤复合技术成功被开发以来，电力光缆就成为了智能电网建设过程中必不可少的关键环节。
智能电网无论是在建设还是在使用过程中，都离不开通信网络的支持，这个通信网络还必须具有稳定性和容量大的特点。比如：某地区的6座供电营业厅已经实现了光纤的全覆盖，而通信的电路全部采用2M，可是光纤并没有覆盖到变台、用户表，其所用的通信方式也仍然沿用GPRS无线通信，对日常的维护和运转提供了很大的麻烦。而如果全部采用主管线路线，那么引起具备宽带高、抗干扰强、性价比高等特征，这些特点是别的通信技术根本就不具备的，所以，可以这么说，想要建设智能电网首选光纤通信技术。
2.2 光通信和无线通信的融合是以后的发展的必然趋势
光纤通信最显著的特点就是速度快，而且稳定安全，抗干扰能力强，而无线设备的最显著特点就是使用方便灵活，如果将两者的特点结合起来，那么就实现了通信技术的完美。所以很多的科研技术人员正在研究这一问题。特别是视频通话、多媒体无线通信传播、P2P文件传送等被广泛的应用，将上述两种技术融合的问题也越来越被人民所广泛的需要，所以，人们已经明白两者融合是未来通信行业发展的必然趋势。
2.3 有效解决了百姓上网难的问题，实现了光纤入户
实现电力光纤的入户是一个很好的理念和设计，这样做就是为了实现在接电时将光纤入户，从而对广大农村上网难的问题得到根本上的解决，在进行电力线路铺设的同时，就尽可能的将光纤入户，如果以后有需要的就可以直接接入，免除后续重新铺设的问题。与此同时，要对电力光纤的优点和政策优势进行宣传，特别是对一些偏远农村，实现一次性入户，可以减少投入的成本，同时为了以后进行智能电网打下了坚实的基础。
2.4 对电网智能化而言传感器网络是否功能完备是非常重要的
光纤传感器网络就是利用传感器进行信息的收集，同时将这些数据通过光纤传输到处理中心，再通过数据处理系统将信息进行及时处理或者离线处理，为后续的工作做基础。比如在进行检测和监控的时候，如果在输电线上布置了传感器的装置，可是实现检测输电线状态的作用。传感器网络所具备的功能比较多样，可涵盖光纤传感器网络和无线传感器网络，甚至是将两种融合在一起的网络也可以。如果这个网络非常的完备，那么对职能电网的发展就有着非常大的推动的作用。比如，运用分布式光纤温度传感技术。一旦有的地区发生了雪灾等情况，那么通过这种技术，可以对电力系统电缆、铁塔等设备在压力和温度方面实现实时的监测，能够及时的发现问题，保障国家和人民的生命财产安全。
3.总结
通过上述的分析可以看出，在电力系统中光纤技术的运用可以有效解决信息传输的问题，同时因其具备容量大、方便快捷等特点，使得信息传输更加的稳定和安全，对电力系统的安全稳定运转提供了重要的保障作用。所以，在科研方面，要进一步强化对光纤通信技术在智能电网中的应用的探究，将光纤通信技术作为信息时代最重要的手段。
参考文献
[1]余勇，林伟民.电力信息系统安全保障体系[J].电力信息化，2006（13）.
关键词：光纤；传感器设计；应用
光在光纤行业中传播的基本原理，光纤分为单膜光纤及多膜光纤，单膜光纤非常细：5～10μm，而且传递的模式多，折射率分布不一样，光走的方向不同。光纤的特性：波长与光路垂直方向散发能量最小干涉型用单膜光纤包括电气特性，物质特性，结合特性及其图像特性。
光纤应用于石油探测器方面，油中含水检测传感器及测量装置，及油、气、水，及油水界面部都广泛的应用光纤技术。例如立式罐光源电路；光纤光栅压力表利用LED探测器PIN。卧式罐激光器电路原理，当激光器发光的光强提高，探测器接收的光强增加。强度型光纤传感器应用中国石油行业，测油罐的工作温度，它的工作条件，抗震且耐腐蚀，不受油罐中杂质的影响，并能自动清除杂质，且温度误差修正为正负1摄氏度。反射式光纤传感器也应用于加油站贮罐检测系统。
光纤应用于各种传感器的设计中，光纤光栅压力表，差压传感器。汽车水箱温度报警器差压式光纤光栅压力表，利用的不是差压光纤光栅压力表，是质量密度，重力加速度的概念，必须测温度，校正质量密度求出Gt，比重计直接测出Gt，初始安装的位置表示两种液体的界面，表示液位的变化值。液体的分界面测量原理（利用压差表，压力表，正负压室及受力状态）。例如大庆某公司利用的压力表流量计。
光纤传感器技术应用于家用燃气报警器，其检测对象：人工煤气、天然气、液化石油气，一氧化碳气及不完全燃烧产物，主要功能是声光报警，故障诊断报警，报警输出控制主要利用单膜光纤及耦合器电源等等。
光纤适用于仪表技术；电膜测与仪表，传感器技术等。它的精度非常高。向各行各业提供测量仪器。光纤技术还广泛的应用于服装鞋帽等，其中包括鞋业制造，测量等。光纤还适用于机械行业中。比如测量内螺纹垂直度，表面粗糙度。在医疗，计划生育，美容及化妆品行业得到广泛利用。
根据国内单模的光纤可以拉，多模的光纤不能拉，所以，一般敏感型选择单模的光纤，依据光纤的特性：传输特性，波长，光斑尺寸，激光传播的距离，垂直方向损耗最小，是用透镜无法比的，而且光纤越粗损耗越大，电绝缘，不受磁场干扰，耐高压及核辐射。光纤的物质特性抗拉（2公斤），弯曲不折（环境：-20至100度）特性不改变，结合的特性；光纤有接头，有耦合和电缆一样，温度敏感光纤，压力敏感光纤，应用于仓储防盗、文物保护、国家机密、银行、证券、大型商场、航空航天等行业。
图像的特性，解决了机械行业的小孔测量问题，内螺纹测量问题，利用光纤技术做防水人体秤、机、用光纤制造公路铁路与交通部门联系，光纤的优点是省电。
反射式光纤传感器的总体应用；加油站储罐检测系统，接触介质材料熔化液体加保护套不锈钢，接口尺寸；径向；应用于卧式罐检测系统，加油站检测压力传感器。利用光纤理论、光纤排列、结合机械结构来完成。
光纤的排列误差，带来系统误差靠标定，分别对几个温度量及几个压力值进行运算。
光纤传感器：干涉型的百分之三十应用于工业。光强型：形成产业和生产力，马赫干涉仪；光纤陀螺仪和制导系统的应用；利用温度，容量、过程控制，它用于国防科技。光纤科技应用在医学上也是很常见的，用于计划生育、优生、优育；用光纤小镜检测准备怀孕的妇女排卵是否健康。光纤测量应用于鞋业制造、制衣等行业；可测量出人脚的每一个截面的尺寸组合起来组成一个曲面、准确的做出鞋来。例如：内高跟鞋等等。制衣也同上理论，可以做立体设计、裁剪。
单光源推动多回路参数巡回检测：光耦合器――光纤――光耦合器――激光光源115/系列差动电容――微功耦合电路――LED――O/E――计算机――为PPM调制系统。
光纤链、光纤通信、光纤传感器网络系统与信息传输的应用；光纤链：由信息采集E/O、信息传输OF、信息处理OE组成；分为单功能、双功能。
光纤总线：本地监控中心――过程控制中心――分控中心――随时监控计算机系统。建设总线程序包括任务来源、设计阶段、施工图纸、准备阶段、施工阶段、竣工阶段。
1 光纤传感器的设计
油中含水检测传感器及测量装置的设计主要包括含油多少、含气多少，若油含水百分之二或者含水更多就击穿了，油、水、气三相流传感器检测系统是一场检测系统的革命。
浓度计：光纤浓度计的设计：反射式：利用给的后像散射原理，相变点随液体性质而改变、根据不同的液体：一个探头一探，就知道油、气、水，油水界面（应用光纤）用什么方法检测油包水或水包油呢利用光纤界面、角位移；线位移变成角位移，轴带着码盘运动。
2 差动式光纤光栅压力表设计
2.1 差压式传感器
模合位移：50・40・4=8000（8米）
50・40・5MM加0、01的压力模合位移0、5%；
2.2 光编机O/E、E/O
2.3 计算机、单片机
差压的概念：P1>P2，压力P=BGH B：密度 G：重力加速度 H：液位 用三块表求出液位。
H=（P1-P3/P1-P2）BG P=BGH P=（P1-P2）=BGH
h=（P1-P3）/（P1-P2）
光纤光栅压力表（与大气压或压差AP）
显示压力值P1、、、、、、Pn（实测值）
显示温度值T1、、、、、、Tn（实测值）
计算体积：Vt=质量/体积・密度=M/GT M=Vt[1-r/B20（t-20）]B20F 则M=VtGt
式中：M-液体石油产品在空气中的重量；B20-液体石油产品在20度时的密度；r-液体石油产品温度系数；Vt-液体石油产品在20度时的体积；Gt-液体石油产品在t度时单位体积的重量；F-在真空中质量换算成空气中重量的换算系数。H=P/Gt+h0（初始电装位移）。
反射式光纤传感器总体结构设计：卧式罐检测系统，加油站检测压力传感器：光纤排列光桥理论，启动LED1工作PD1、PD2全收到信号。
启动LED2： X1=P1・K1・I2・M2 Y1=P1・K1・I11・M1
得出两个电流和两个透射率，P1D1发射的光要耦合到PD2的上面
X2=P2・K2・I22・M2 Y2=P2・K2・I12・M1 S=X1・Y2/Y1・X2=P1・K1・I21・M2・P2・K2・I12・M1/P1・K1・I11・M1・P2・K2・I22・M2=I21・I12/I11・I22
分别对四个温度量及四个压力值进行运算。
【关键词】光纤通信技术研究与分析
一、光纤通信技术的基本概念
光纤通信技术的本质是利用光作为信息传输的主要载体，通过光在线缆中传输，实现数据信息的快速传输。从目前光纤通信技术的应用来看，利用光纤传输，有效解决了数据传输速度和传输质量问题，保证了数据能够以最快的速度进行传输，并保证数据传输的安全性和准确性。光纤通信技术的主要载体是光导纤维，光导纤维具有光敏感性，可以最大程度的保证光传输的有效性。正是基于这些特点，光纤通信技术在目前通信领域和国防等多个领域有着广泛的应用。
二、光纤通信技术的主要优点
从目前光纤通信技术的应用来看，光纤通信技术的优点主要表现在以下几个方面：1、光纤通信的频带宽度大，通信容量较大。2、光纤通信的信号衰减较小，中继距离得到了延长。3、光纤通信具有较强的抗干扰能力。4、光纤通信在信息传输安全性上比其他传输方式要高。
三、光纤的结构与传输原理
光纤是光导纤维的简称，主要分为三层结构，内部为光导纤维的核心―纤芯，由内向外分成包层和涂覆层。在数据传输过程中，数据信号主要是在纤芯和包层这两个层面间流动，涂覆层的具体作用是保护包层和纤芯能够进行正常的信号传输。在光纤中，纤芯主要为透明的软线，包层与纤芯类似只是在传输效率上比纤芯略低，涂覆层的作用是保护包层与纤芯不受外界侵蚀和机械损伤。
光纤的传输原理主要可以用菲涅耳定律来表示：
上图为光纤信号传输的过程分析：
四、光纤通信技术的主要发展和应用分析
由于光线通信技术具有突出的优点，光纤通信技术已经逐步取代传统的电缆传输，成为了新的数据通信技术这一，并取得了积极的发展成就，促进了数据通信技术的全面发展。此外，从应用领域来看，目前光纤通信已经广泛的应用于数据通信领域，其中包括网络信息传输、电话信息传输、军事信息传输等，具体应用情况如下：1、光纤通信技术在网络信息传输中的应用。由于网络信息传输对数据传输的质量和准确性要求较高，光纤通信技术的优点正好符合网络信息传输的实际需要，因此光纤通信技术成为了网络信息传输中的重要方式。2、光纤通信技术在电话信息传输中的应用。目前电话信息传输系统已经从模拟信号向数字信号转变，在这一过程中，需要一种可靠的方式能够实现电话数据信号的可靠传输，而光纤通信技术正好能够满足电话信息传输的这一现实需要。3、光纤通信技术在军事信息传输中的应用。军事信息传输的要点在于信息的保密性和准确性，鉴于光纤通信在数据传输过程中能够有效保证信息的准确，并不受外界干扰，所以光纤通信技术在军事信息传输中得到了重要应用。
五、结论
通过本文的分析可知，光纤通信技术目前已经成为数据通信中的主要手段之一，由于其具有突出的优点，因此光纤通信技术在通信领域得到了广泛的应用，逐渐取代传统的通信手段，为数据通信技术的发展提供了有力支持。
参考文献
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[2]刘望军，熊卓列.数字化社区通信系统的接入网技术.有线电视技术；2006年01期
关键词： 光纤振动传感系统； 复用； 相位生成载波
中图分类号： TN 911.74文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.01.009
引言
随着科技的发展，安全防范的重要性越显突出。一些重要的保密部门、军事要地、银行、机场等对大范围、长距离、高可靠性的安防技术的需求越来越显著。目前，已有大量的光纤传感技术应用于安防系统，其特点是抗干扰性强、可靠性高，隐蔽性好、可防探测，易于安装和维护[12]。
在实际应用中，常常会遇到需要对多个对象进行监测，而一个被监测对象需要对应一套光纤传感结构，这不仅大大提高了整个监测系统的成本，而且系统的复杂程度也逐级上升，给维护也带来了很大的困难[3]。为了解决上述问题，通常采用复用的方法，来达到简化系统，降低成本，易于维护的目的。
1背景技术
在光纤传感所采用的复用技术中，相位载波复用是较常采用的技术，即通过相位载波复用，使不同的感应单元复用共同的光源、光纤光路以及光电探测器等。这种复用方法，如文献[45]所描述，通过对不同的感应单元施以不同频率的相位载波进行调制，每个载波频率对应于一个感应单元，各感应单元产生的干涉信号被共同的光电探测器检测。为了实现复用与解复用的目的，上述的相位载波复用技术一般具有以下特征：
（1）为了使复用的信号不发生混叠，相邻载波频率之间的频率差必须大于外界扰动引起的信号基波频率上限的两倍；
（2）对于光电探测器后的信号，通过信号处理技术，采用载波基波或谐波作为参考信号，对载波基波或谐波边带信号进行处理，以达到将干涉信号解调出来的目的。
在该技术中，由于对相邻频率的间隔要求，同时为了使不同载波的基波、谐波频率不发生混叠，使得调制频率的选择受到较多限制，由此会影响到实际复用的数量；同时，为了使复用的数量足够大，对调制器件的工作点要求可能会很分散，并要求调制器件具有高的工作频率，这不利于实际应用。在信号的解调中，如引入信号处理技术，会增加信号处理部分的技术难度和技术复杂性，并大大提高后端的开发成本和设备成本。
在光纤传感系统的许多实际应用场合，两个事件完全同时发生的概率很小，即两个感应单元同时感应到信号的可能性很小。针对这种情况，本文提出一种新型的基于相位载波复用技术的光纤传感复用方法。在光纤干涉系统中，对感应外界扰动的不同感应光纤单元产生的干涉信号，用不同频率的载波进行调制，相邻载波频率之间的频率差无需大于外界扰动引起的信号基波频率上限的两倍，各光纤感应单元形成的信号被共同的光电探测器检测后，利用信号基波来分析扰动信号的物理量，并利用载波基波或谐波的边带判断感应扰动信号的光纤。
由于每次扰动事件只发生在一个感应单元，即只有一个感应单元感应到扰动信号，设该单元为第i个感应单元，从式（4）可以看出，调制频率fmj（j≠i）的基波和谐波将不会出现边带，而调制频率fmi的基波和谐波则出现边带，根据这一特点即可判断感应扰动的感应单元。由于仅需观察是否出现边带，仅需相邻的调制频率有一定的间隔，不影响边带判断即可，不需要传统的相位载波复用方案那样要求具有两倍于基波最大频率的要求。图1为i单元发生扰动时的频谱示示意，在该图中，载波频率fmi出现了明显的边带，说明感应信号来自于感应单元i。对于出现边带的载波频率的确定，利用一些便捷的分析手段，例如边带的能量、谱线的对称性等，即可实现；信号基波则可用来恢复干涉信号。
由于仅用信号基波来恢复干涉信号信息，无需像传统相位载波复用那样用载波基波或谐波作为参考信号来解调干涉信号，相应的信号处理手段简单，由于这个特点，也可以很方便地应用于施加载波的调制端远离解调端的情况下（例如图3的结构中），而无需将调制信号引回解调端或在解调端恢复出解调所用的参考信号。
3数据分析
本文采用的是图2的结构。所使用的第一耦合器1为3×3均分耦合器，第二耦合器2为2×2耦合器，有2个复用的感应单元：4（1）、4（2），使用的是光缆中的一芯，相应的光缆长度分别为21 km、14 km。光源为中国电子科技集团公司第44所生产的SO3B型超辐射发光管（SLD）型稳定光源。光纤延迟器3使用的是美国 “康宁”生产的G652型单模光纤，光电检测装置8中使用的光电探测器为中国电子科技集团公司第44所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器。使用的相位调制器是将光纤绕在压电陶瓷上制作而成。经测试，信号基波的最高频率小于80 kHz，施加在相位调制器7（1）、7（2）上的频率分别为100 kHz、110 kHz。低通滤波器9的带宽为80 kHz，从光电检测装置8输出的信号经低通滤波器输出的信号，经信号采集卡采样后，进行扰动位置以及扰动性质的判断。同时，对光电检测装置8输出的信号进行采样，对载波基波的边带，即频率100 kHz、110 kHz的边带进行分析，即可判断扰动来自那根感应光纤。系统中所使用的采集卡为NI公司产品。
当敲击加有100 kHz载波频率的传感光纤时，所得到的的信号依次如下，图4（a）为加载波后信号波形。图4（b）为其频谱图，可以看到，100 kHz左右的边带有信号，而110 kHz左右边带比较干净，所以可以判定敲击信号是加在100 kHz所在的传感光纤上的。图4（c）为经过80 kHz低通滤波器后得到的振动信号。
当敲击加有110 kHz载波频率的传感光纤时，所得到的信号依次如下，图5（a）为加载波后信号波形。图5（b）为其频谱图，可以看到，110 kHz左右的边带有信号，而100 kHz左右边带比较干净，所以可以判定敲击信号是加在110 kHz所在的传感光纤上的。图5（c）为经过80 kHz低通滤波器后得到的振动信号。
由以上数据分析可以看出，可以用载波基波或谐波的边带来判断信号发生的感应单元，可以通过低通滤波器解调出相应的线路上的信号。
4结论
本论文使用载波基波或谐波的边带来判断信号发生的感应单元，这种判断方法简单易行，系统结构简化。本方法的另一优点是相邻载波的频率差无需大于信号基波的频率上限的两倍，这方便了载波频率的选取以及相位调制器件的选择，也使得复用单元的数量更大。
参考文献：
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关键词：煤矿火灾，光纤光栅，预测预报，本质安全，准分布式测温
1.引言随着我国煤矿采掘机械化和电气化程度的提高，外因火灾发生的比例也逐年增高。低压电缆着火、矿用变压器着火、架线电车电弧引燃木支护棚着火等电气火灾事故也时有发生，而且矿井中环境复杂，电气设备众多，一旦发生火灾，后果将不堪设想，具有很大的危险性。今年以来，全国煤矿已发生4起重大以上事故，其中3起为火灾事故。除“3.15”事故外，湖南省湘潭市湘潭县立胜煤矿“1.5”特别重大火灾事故，造成34人死亡和下落不明；江西省新余市庙上煤矿“1.8”重大火灾事故，造成12人死亡。论文大全。这3起火灾事故，都是因电缆及设备（移动空压机）着火引燃木支护而发生的火灾事故。
目前，矿井内采用的火灾检测设备还很少，而且大部分还是采用基于电信号传感器的测温系统。其中红外测温为非接触测量，易受环境及周围电磁场干扰，且需人工操作，无法实现在线测量，效率低下；电子温度传感器易受电磁干扰，机械的温度传感器受环境的影响也比较大，以上几种检测方法的测量效果都不是很理想。因此开发一种大容量分布式在线实时温度监测系统，来监测煤矿高耗能大型机电设备和电缆运行温度已成为当务之急。
光纤光栅温度在线监测系统是一种全新的在线温度监测报警系统，具有防爆、防燃、抗腐蚀、抗电磁干扰，在有害环境中使用安全，实现实时快速准分布式测温并定位，具有程控报警电平等特点。系统本身具有自检测、自标定和自校正功能，是光机电、计算机一体化技术。采用光纤光栅温度检测技术进行煤矿各种设备的温度实时在线检测，充分利用光纤光栅传感系统的大容量、分布式特性将是一种十分可行的方案。
2.煤矿机电设备引起火灾的原因分析煤矿机电设备引起火灾的原因是多种多样的，主要火灾是电器设备引起的火灾和电缆火灾，原因是：过载、短路、接触不良、电弧火花、漏电等原因。这些火灾起初可能致使电气设备中的绝缘材料燃烧，接着火焰传到巷道的支架、煤尘、瓦斯及矿内其它可燃材料上，这就发生矿井电气火灾。 煤矿机电设备火灾主要是由于设备负荷过大引起的。大量高耗能的设备在煤矿中长期使用，不可避免引起设备负荷过大，将使设备达到使自己失去绝缘性能的危险温度，随着温度的不断积累，最后就常常引起电气设备发火。如综掘机、采煤机、刮板输送机、皮带机、绞车、主扇以及各类大功率设备等是煤矿企业广泛使用的大型高档设备，由于长期处于满负荷工作状态，因轴承损坏造成设备相应部位逐渐发热而导致设备损坏，影响正常生产的事频繁发生。
电缆火灾主要是由于电缆接触不良，或接地不好引起的。线路中个别部分接触电阻的增加，主要是接触不良的结果。实践证明，井下电缆与电缆或者电缆与设备的连接部分（接头）做得不好，往往是矿井巷道内因电流以产生火灾最常见的原因。电缆工作尤其是过流、过载时，由于导体发热会导致电缆温度升高，如果电缆不具备良好的阻燃性能，极易引起电缆着火，在燃烧的同时可产生大量有毒有害气体，造成矿工中毒窒息，还可能引起瓦斯煤尘爆炸。因此，电缆的阻燃性能对煤矿安全生产具有重要影响。
通过对机电设备引起火灾原因的分析，可以看出机电设备等电气火灾大部分都伴随着设备，电缆局部温度的逐渐升高，是一个积累的过程，完全可以通过对易发生火灾部位进行温度检测，根据温度上升的趋势来预测电气设备和电缆的运行状态，从而在故障点及时采取措施，防止火灾的发生。
3.矿用准分布式光纤光栅温度监测系统 3.1测温原理光纤传感技术是上世纪70年代末兴起一种先进的多学科交叉技术。经过三十多年，特别是过去十几年的发展，目前已经研制出两千多种基于光纤的传感器。光纤传感器与常规的电子类传感器相比有许多独特之处[7]，主要优点包括：
1）以光作为传感信号基本不受外界电磁场干扰，长期漂移小，测量精度高，因而可用来作长期可靠的连续在线检测；
2）由于不带电，因而适于在电力，煤矿，石油，天然气及其它化工行业进行安全和生产状态参数的监测；
3）由于采用光纤传输，可以超远程监测；复用能力强，可实现对一线多点、两维点阵或空间分布的连续监测；
光纤传感器上述独特优点，特别是一根光纤可以对多个点做多变量测量的能力，是电子类传感器很难实现的。在具有强电干扰、高压、易燃易爆等恶劣环境下，传统的电子传感器受到很多局限性。光纤光栅温度监测仪所用温度传感器采用一种叫光纤布拉格光栅（FBG）的光学无源器件，是一种反射式光纤滤波器件，通常采用紫外线干涉条纹照射一段10mm长的裸光纤，在纤芯产生折射率周期调制，光波导内传播的前向导模会与后向反射模式进行耦合，形成布拉格反射，即产生了一个窄带的反射峰。论文大全。窄带反射峰的中心波长称为布拉格波长，研究表明：光纤光栅的空间折射率调制周期和纤芯的有效折射率均可引起光栅布拉格中心波长的改变。因此，通过一定的封装设计，使外界温度、应力和压力的变化导致光栅中心波长发生改变，即可使FBG达到对其敏感的目的[3]。如图2所示，光纤光栅中心波长和温度有着非常好的线性关系。
图1 光纤光栅结构图
图2 光纤光栅中心波长随温度变化曲线
3.2系统组成煤矿光纤机电设备状态检测系统主要包括信号解调模块、光学扩展模块，传输光缆和传感器网络。温度传感器由光纤光栅和连接光缆组成，温度传感器安装在现场；信号解调模块和计算机安装在控制室内，温度传感器和控制室由传输光缆进行信号传输。光纤信号解调控制器通过标准通讯接口与计算机通讯，由计算机完成温度的监控。
图3光纤多点温度传感监测系统框图
由信号解调模块中光源发出的高能量光束通过光缆注入光纤光是那传感器阵列，每个光纤光栅将反射特定的波长，这些波长与各个传感器所测温度成线性关系；这些波峰将由光纤信号解调模块进行波长解调，然后根据设定的参数计算出每个传感器的测量温度值，所测温度值和各种相关信息通过标准的通讯接口实时上传给监控上位机，进行信号的显示，故障诊断、事件记录、报警控制等。
3.3 系统技术特征和主要技术参数1.系统的技术特征
光纤传感器感知温度和位置信息,完全不带电，本质安全。传感器分辨率高，测温精确，响应时间短。传感器可靠耐用，使用寿命长。
阵列复用，大容量，多点分布式测温系统；一台解调仪可带几百个传感器，大范围覆盖测温现场；节省费用。论文大全。
由于全光信号传输，不受传感器距离限制，最大传感距离达10Km，是超远程温度检测系统。
2.系统的主要技术参数：
测温范围：-10℃~+110℃；测温精度：±1℃；温度分辨率：0.1℃；温度探测器响应时间：<5s；空间分辨率：根据现场情况；每通道最大传感器点数：18个/通道；测量时间：<30s/16通道。
4.系统的应用为了解决大规模的煤矿机电设备安全监测问题，在某煤矿的地面110Kv变电所，-312水平中央变电所，地面洗煤厂配电室，井下高压电缆中间接头及地面110Kv变电所电缆间（电缆密集处）等位置，共安装了近800个矿用光纤温度传感器。系统由一个监测仪和一个监控主机组成，所有传感器通过一条多芯的光缆连接起来，结构非常简洁。通过软件我们可以方便观测所监测位置的温度状态，对预防煤矿电气火灾提供了有力的技术基础。
5.总结随着我国煤矿采掘机械化和电气化程度的提高，电气火灾成为煤矿火灾的一个重要原因。通过对煤矿机电设备引起火灾的原因的分析，认为实时检测机电设备的温度可以有效预测预报火灾事故的发生。基于光纤温度传感器建立了一套煤矿火灾实时在线监测系统，通过安装煤矿光纤机电设备状态检测系统，对煤矿供电设备及高压线路接点的温度进行了实时在线监测，有效实现了煤矿供电设备安全状态的监控和火灾的预测预报，为煤矿安全生产提供了有力保障。这种方法的研究和应用对矿井火灾监测预报具有重大的实用价值。
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关键词 光纤Bragg光栅；地震检波器；边缘滤波；解调
中图分类号P315 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）122-0232-02
光纤光栅传感器技术的发展，使得光纤光栅逐渐走向实用化，其原理是利用外界物理变量的变化，从而引起光纤光栅的周期或折射率变化，并由此来获得反射中心波长的的改变，实现对物理变量的传感目的。随着光线光栅传感技术的不断成熟，基于光纤光栅的地震检波器更具有较好的应用价值。
1 光纤光栅传感原理及结构
光纤光栅是基于参数周期性变化的波导，利用纵向折射率的变化来实现对不同光波模式的耦合。其传输模式如下所示：K=β1-β2=2π/?（对于式中的?表示为光栅周期）。利用相位调节耦合模式有正向传导为反向，其公式为：2π/?=β1-β2=β01-（-β01）=2β01。当K值变大，则?值变小（?
2 基于光纤光栅的地震检波器信号解调系统
在开展基于光纤光栅的地震检波器信号解调应用时，首先要对光纤Bragg光栅的反射光波长进行检测，再次是对解调方案进行合理选型。在当前的光电探测系统中，多采用对光强度的转化，其思路主要有波长扫描和光学滤波。
2.1 边缘滤波解调原理
从边缘解调滤波工作原理来看，滤波器的输出光强量ΔL与波长漂移量λ-λ0成线性关系，其函数如下：F（λ）=A（λ-λ0）。其解调系统原理如下图所示：
2.2 解调光路系统设计
从光路系统的构成来看，主要由光源、光纤耦合器、传感器及边缘滤波器等组成。本实验选用的光源为波长在800-1600nm之间的放大自发辐射源，其输出谱平坦度≤4dB。输出光功率为30-40mW，光纤跳线类型为FC，工作环境温度在0℃-40℃。对于光纤连接器，选用连接损耗小、互换性好、回波损耗大、对环境温度变化的性能相对稳定的光元件。对于耦合器的选择，从其作用来看一方面应该引入传感光栅，另一方面要能够将反射的携带波长的信号导入滤波器，因此在选用波长在1550nm的光纤耦合器。对于传感器的选择，本实验需用工作波长为1547.7nm，3dB带宽为0.25nm，具有较好的边模抑制比。
2.3 对光信号的处理
对于光信号的处理是实现光电探测信号转换的基础。从实际应用来看，首先需要将光信号转换为电信号，利用光电效应或热电效应来探讨滤波器的性能。主要性能参数有以下几类：一是对于光电探测灵敏度，其值是由入射调制垂直辐射到探测器时，探测器对输出的基频点压均方根值Vs与入射辐射功率均方根值Ps的比值：其公式表示为：RV=Vs/Ps或者RI=Is/Ps。
二是表征为光谱响应，即探测器对不同波长辐射的响应能力；三是量子效应，即对入射光子形成的光电流，单位时间内产生的光电子数与入射的光子数之比。四是探测度，即对于调制辐射功率Ps基频分量的均方值，在探测器输出的电压有效值Vs与噪声均方根电压Vn的比重，其公式为：。对于D来说，其值越大表明其探测能力越强。
对于实验过程来看，光电转换中由光至电流，再由电流转换为电压，由于信号转换中的电信号比较微弱，为了提高放大精度时需要运用放大器来实现，而放大器因其噪声影响，会对滤波器调制功能带来影响。如下图所示，对于虚线所示的等效电路，其Cp为结电容，Rp为等效电阻，而En表示为等效噪声电压，In表示为等效噪声电流，Kv为放大器增益。
3 结论
对于本文的光纤Bragg光栅地震检波系统的设计来说，重点是对光电电路及信号的处理，特别是对于边缘滤波器自身的不稳定性，及噪声影响，可以通过对光电转换和优化滤波电路来说获得较好的实验效果。通过对现有解调技术的分类分析，从实际系统性能需求上，确立基于边缘滤波解调思路，并在对光路系统和光电信号的处理上，分布就其可靠性和进行了探讨。总的来看，本方案实现了对传统检波技术的突破，但在光栅耦合中对于光纤双折射等问题缺乏有效的遏制，还有对于实验中的屏蔽手段还需要进一步优化。另外对于信号处理及模/数、数/模转换等部分精度处理不够，有必要在以后的解调方案中进行修正与改进。
参考文献
关键词：光纤光栅 桥梁监测应变
中图分类号： TU997 文献标识码： A 文章编号：
一般在桥梁施工监测中常用传感器为振弦传感器、金属应变片等，随着科技的技术光纤传感器越来越受到人们的关注，与传统的传感器相比其具有测量精度高、动态范围大、频带宽并可实现绝对测量以及抗电磁干扰、耐腐蚀的特点。
本文基于城市高架桥盖梁的施工过程，在其典型受力位置埋入光纤光栅应力和温度传感器，对其各典型施工阶段进行理论应力和实测应力的对比分析。
光纤光栅传感技术
光纤是光导纤维的简称，一般由纤芯、包层、涂覆层构成，是一种多层介质结构的圆柱体光学纤维。纤芯和包层为光纤结构的主体，其主要材料是二氧化硅，对光波的传播起着决定性作用，纤芯的折射率比包层的折射率稍大，但满足一定的入射条件时，光波就沿着纤芯向前传播。
光栅传感器满足Bragg条件（光波的耦合模理论），也即光纤光栅的中心波长与有效折射率和光栅周期满足下式：
可见，光纤光栅的反射波长主要和光栅周期和有效折射率有关，当光纤光栅感受到外界环境温度变化或应变变化时，不仅会引起光栅周期的变化，而且还会引起有效折射率的变化，从而引起反射光波长的偏移，这就是光纤光栅传感的基本原理。
对于光纤光栅而言，有效折射率的变化主要由弹光效应和热光效应引起，光栅周期的变化主要由热膨胀效应和外界的应变引起。但对于成品的传感器中，弹光效应和热光效应为光纤光栅的特性，可以通过实验进行标定，最后转换成成品中给出了传感器的应变灵敏系数和温度灵敏系数。
光纤光栅埋入与盖梁施工
直立式大悬臂盖梁结构，墩柱尺寸为1.8m*2.0m；盖梁整体形式为T型，悬臂长度为6.6m，根部高度为2.2m，端部高度1.2m。在盖梁理论计算中采用大型有限元软件Midas FEA，为实体有限元模型，在结构建模计算中严格按照结构的实际施工过程进行。施工过程为：
盖梁钢筋的绑扎—盖梁混凝土浇筑—4根N2钢绞线的张拉（浇筑9天后）—一侧右边架设4片小箱梁（N2张拉10天后）—钢绞线N4和N6张拉—全部小箱梁架设—剩余钢绞线张拉（架梁16天后）。
在桥墩盖梁建模中，为提高分析精度，采用四面体单元进行墩柱盖梁的网格划分。采用钢筋单元模拟预应力钢束，根据空间位置关系与混凝土实体单元耦合，同时考虑施工阶段混凝土材料时间依存关系的影响。
图1光纤光栅传感器的埋入
传感器的埋入如图2所示，在预应力张拉及上部结构主梁安装过程中，盖梁上缘结构应力的变化相对较大，集中张拉预应力或大批量安装主梁却未及时张拉预应力，均极有可能造成盖梁根部截面受拉而开裂。为了排除混凝土水化热和其收缩、徐变产生的影响，在盖梁中预埋了光纤光栅温度传感器。
传感器安装在盖梁钢筋绑扎完毕后，混凝土浇筑之前进行。光纤光栅传感器的埋置一般遵循以下顺序：串联传感器、预埋位置的确定、传感器线路的布置、传感器绑扎、引线保护等。
传感器绑扎过程中，扎丝应距离传感器端部约5cm，不应太靠近传感器中部，防止传感器在绑扎过程中受拉或受扭；两端引出线应采用软质细管（如注浆管）进行保护。串联传感器线路布置时，宜沿钢筋走向布置，避免过多的弯曲、缠绕等，其弯曲越小，对传感器波长测量影响越大。
3．测量结果分析
桥梁监控的一个重要目的便是荷载施加前、后盖梁典型截面处应力的变化，以此来推断盖梁的施工质量、钢绞线张拉情况、盖梁的实际受力情形等。此处施工荷载引起的应力变化，指各施工阶段前、后，该盖梁监控测点处应力改变的大小；盖梁根部上缘应力分别为四个测点的平均值。
实测值与FEA值结果对比
4．结语
由上述数据对比分析可知，一次架梁和二次架梁过程中，实测应力值和计算结果相差较大，原因可能为上部小箱梁架设和钢绞线张拉顺序的改变，对悬臂盖梁根部截面产生较大的应力起伏，施工过程中应引起足够的重视。应力变化趋势均与理论计算值有较好的吻合，说明光纤光栅传感器在测量由于荷载引起的盖梁典型截面应力变化时，其数据结果准确，误差较小，光纤光栅传感器在该盖梁施监控中发挥了良好的作用。
参考文献：
1周建华. 光纤光栅传感器应变传递特性研究[D].武汉理工大学硕士学位论文
关键词：分布式光纤传感技术、布里渊散射、光时域反射、光时域 分析 光频域分析
一、前言
分布式光纤传感技术是基于光纤工程中广泛 应用 的光时域反射（otdr）技术 发展 起来的一种新型传感技术，由于它具有其他传感技术所无法比拟的优点，因此成为目前传感技术研究领域的热点。从上世纪七十年代末提出到现在短短二十几年里，分布式光纤传感技术得到了很快发展，并在以下三个方面取得了突破：
① 基于瑞利散射的分布式光纤传感技术；
② 基于拉曼散射的分布式光纤传感技术；
③ 基于布里渊散射的分布式光纤传感技术。
其中基于瑞利散射和拉曼散射的研究已经趋于成熟，并逐步走向实用化。基于布里渊散射的分布传感技术的研究起步较晚，但由于它在温度、应变测量上所达到的测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其他传感技术，因此这种技术在目前得到广泛关注与研究。
二、光纤中的布里渊散射及其传感机理
1、布里渊散[1]
在光纤中传播的光波，其大部分是前向传播的，但由于光纤的非结晶材料在微观空间存在不均匀结构，有一小部分光会发生散射。光纤中的散射过程主要有三种：瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射，它们的散射机理各不相同。其中，布里渊散射是光波与声波在光纤中传播时相互作用而产生的光散射过程，在不同的条件下，布里渊散射又分别以自发散射和受激散射两种形式表现出来。
在注入光功率不高的情况下，光纤材料分子的布朗运动将产生声学噪声，当这种声学噪声在光纤中传播时，其压力差将引起光纤材料折射率的变化，从而对传输光产生自发散射作用，同时声波在材料中的传播将使压力差及折射率变化呈现周期性，导致散射光频率相对于传输光有一个多普勒频移，这种散射称为自里渊散射。自里渊散射可用量子物 理学 解释如下：一个泵浦光子转换成一个新的频率较低的斯托克斯光子并同时产生一个新的声子；同样地，一个泵浦光子吸收一个声子的能量转换成一个新的频率较高的反斯托克斯光子。因此在自里渊散射光谱中，同时存在能量相当的斯托克斯和反斯托克斯两条谱线，其相对于入射光的频移大小与光纤材料声子的特性有直接关系。
由于构成光纤的硅材料是一种电致伸缩材料，当大功率的泵浦光在光纤中传播时，其折射率会增加，产生电致伸缩效应，导致大部分传输光被转化为反向传输的散射光，产生受激布里渊散射。具体过程是：当泵浦光在光纤中传播时，其自里渊散射光沿泵浦光相反的方向传播，当泵浦光的强度增大时，自里渊散射的强度增加，当增大到一定程度时，反向传输的斯托克斯光和泵浦光将发生干涉作用，产生较强的干涉条纹，使光纤局部折射率大大增加。这样由于电致伸缩效应，就会产生一个声波，声波的产生激发出更多的布里渊散射光，激发出来的散射光又加强声波，如此相互作用，产生很强的散射，这就是受激布里渊散射（sbs）。相对于光波而言，声波的能量可忽略，因此在不考虑声波的情况下，这种sbs过程可以概括为频率较高的泵浦光的能量向频率低的斯托克斯光转移的过程。这样受激布里渊散射可以看成仅仅是在有泵浦光存在的情况下在电致伸缩材料中传播的斯托克斯光经历了一个光增益的过程。在受激布里渊散射中，虽然 理论 上反斯托克斯和斯托克斯光都存在，一般情况下只表现为斯托克斯光。
2、布里渊散射的传感机理。
如前所述，光纤中的布里渊散射相对泵浦光有一个频移，通常称此频移为布里渊频移。其中背向布里渊散射的布里渊频移最大，并由下式给出
其中：vb—布里渊频移，
n—光纤纤芯折射率，
va—声速，
l—泵浦光的波长。
对于普通的硅玻璃光纤，n=1.46，va=5945m/s，当泵浦光的波长l=1.55mm时，布里渊频移vb»11.2ghz。
大量的理论和实验研究证明，光纤中布里渊散射信号的布里渊频移和功率与光纤所处环境温度和所承受的应变在一定条件下呈线形变化关系，并由下式给出
三、 布里渊散射的分布式光纤传感技术 研究 现状 自从horiguchi[4]和culverhouse[5]等人首次分别提出利用布里渊散射频移特性作为分布式应变和温度传感以来，在世界范围内，众多研究人员展开了基于布里渊散射的传感系统的研究，取得了可喜的成绩。 目前 ，基于布里渊散射的温度/应变传感技术的研究主要集中在三个方面：
（1）基于布里渊光时域反射（botdr）技术的分布式光纤传感技术；
（2）基于布里渊光时域 分析 （botda）技术的分布式光纤传感技术。
（3）基于布里渊光频域分析技术（bofda）的分布式光纤传感技术。 1、基于布里渊光时域反射技术（botdr）的分布式光纤传感技术
基于botdr的分布式光纤传感系统与在光纤测量中广泛 应用 的光时域反射计（otdr）相类似，基本框图如图1所示。在otdr中，当脉冲光在光纤中传输时，在光纤的脉冲光发送端就可以检测到由瑞利散射产生的背向散射光，背向散射光与脉冲光之间的时间延迟提供对光纤的位置信息的测量，背向散射光的强度提供对光纤的衰减的测量。在botdr中，背向的自里渊散射代替了瑞利散射，由于布里渊散射受温度和应变的 影响 ，因此通过测量布里渊散射便可以得到温度和应变信息。
自里渊散射信号相当微弱（比瑞利散射约小两个数量级），检测比较困难，因此基于botdr的分布式光纤传感技术的研究主要集中在布里渊信号的检测上。kurashima[6]等人首先利用相干检测的 方法 实现了自里渊信号的检测和分布式温度／应变测量，并在11.57km的光纤上获得了空间分辨率为100m、温度／应变测量精度分别为±3℃／±0.006％的实验结果。
其具体检测方法是：用一个可调谐激光器作为本地振荡光源和背向散射光外差，当调节本地振荡光（ ）使其频率与输入脉冲光（ ）的频率差 落在布里渊频移 附近时，则本振光与布里渊散射斯托克斯光的拍频信号的频率差就会远远小于布里渊频移，这样用一个低通滤波器就可以将这个拍频信号滤出来。
由于低通滤波器的截止带宽比布里渊散射信号的线宽要窄得多，因此滤波器所滤出的信号只对应着本振光与光纤某区域布里渊频移和 相差很小的布里渊散射光的拍频信号，输入脉冲光与本振光之间的频差也就正好可以近似等于该区域布里渊散射信号的频移。已知布里渊频移与温度、应变存在线形关系，因此通过测定脉冲光与本振光的频差，就可以得到温度或应变信息。改变本振光的频率，就可以实现沿整个光纤分布的温度/应变测量。
相干检测可以利用本振光提高信号的测量灵敏度，但需要同时使用两个光源，对两光源的相干性能也有较高要求。为了克服这个缺点，k.shimizu[7]等人通过引入一个光移频环路实现了利用单光源对自里渊信号的相干自差检测，并获得满意的实验结果。
不同于相干检测，英国的t.p.newson等人利用直接检测的方法实现了分布式测量，其系统主要利用光纤马赫－泽德干涉仪的滤波和鉴频特性来实现背向自里渊散射信号的检测。
在背向散射信号的耦合输出端，系统首先利用一个马赫－泽德干涉仪将微弱的布里渊信号从背向散射信号（主要是瑞利散射）中分离出来，然后通过另外一个马赫－泽德干涉仪来实现布里渊频移和强度的测量，最后通过相关的数据处理得到温度和应变信息。
在最近的研究中[8]，他们在15km的光纤上获得了空间分辨率为10m，温度、应变分辨力分别为4℃/290me的实验结果，并利用温度、应变和布里渊散射信号的频移、强度关系在同一光纤上实现了温度、应变的同时测量。和相干检测相比，直接检测的测量
[关键词]光纤供电；航天领域；启示与建议
中图分类号：TH823.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）20-0224-01
1 引言
NASA（美国航天局）一直在开展激光空间传输能量的研究，通过激光在自由空间中传递能量，面临的最大的难题为光电转换效率随着距离的增加而急剧减小。光纤供电技术巧妙的解决了这一难题，它通过光纤的全反射效应为激光的传输提供了损耗较小的通道，不受射频和磁场、雷电、电磁脉冲影响，不产生额外的电磁干扰，比传统电缆更轻、装配灵活，且对系统防热设计要求较低。正是因为这些优点，使其在相关领域得到了广泛的应用。
2 发展现状和趋势
2.1 发展现状
20世纪50年代首次发现GaAs材料具有光伏效应，并首次制成砷化镓太阳能电池，效率有6.5%。70年代，美国采用LPE技术，在砷化镓材料的表面生长一层宽禁带窗口层，大大减少了表面复合，转换效率提高至16%，开创了高效率砷化镓太阳电池的新纪元。20世纪80年代后，国外砷化镓太阳能电池技术逐渐演化到采用MOCVD、异质外延、多结叠层结构等最新技术，材料的供电功率和转换效率不断提高，最高效率已达到29%。同时，随着激光技术的发展，采用激光器驱动光电转换材料的研究开始兴起。从20世纪80年代至今，光纤供电技术取得了长足的发展。目前，美国的JDSU、LaserMotive，德国西门子等公司，能提供功耗在1瓦特左右输出稳定的光供电材料，如图1所示，转换的效率可以到达最高60%，传输距离可以达到10km左右。更大功耗的由于稳定性较差，目前多处于实验室研究阶段。
在应用领域，国外光纤供电技术研究起步较早，目前低功耗的应用相对成熟，从20世纪90年代开始，相关技术开始应用于高压输电、军用及航天航空、工业传感器和医疗设备等领域。
2005年，霍尼韦尔公司在国际航空传感器大会上，提出了一种基于光纤供电的传感器网络，可以应用在对噪音、电磁和射频的干扰要求苛刻的场合。2006年，德国KIT公司，成功实现在单根光纤中传输数据和供电。2013年，美国LaserMotive公司在SPIE国际防务安全展览上，展示了光纤供电驱动的小型无人机。这种小型无人机飞行高度可以达到2km，用来进行区域目标监视、通信中继等。
2.2 发展趋势[1]
目前，国外光纤供电技术研究主要集中在790～850nm、900～1000nm和1200～1600nm三个波段。790～850nm波段一般采用铝镓铟或砷化镓光电池材料，可以提供稳定的500mw的1～2km远程输出功耗；900～1000nm波段一般采用铟砷化镓或者砷化镓光电池材料，能够提供稳定的2W以上的1～2km远程输出功耗；长距离的光纤供电一般采用1200～1600nm波段铟砷化镓或者磷化铟光供电材料，可以提供500mw左右10km以上的稳定功率输出。目前，美国JDSU公司在实验室内已经成功实现了10W功耗1km距离的光纤供电演示。
3 应用特点
3.1 电力领域[2]
在电力领域，激光供能系统是解决电力系统测量中绝缘问题的安全可靠方案，通过光纤隔离高、低电压侧，给高压侧数据采集电路提供稳定电源，并且可以通过与能量光纤共用的信号光纤将采集到的信号送到低压侧的数据采集系统，不受高压母线附近的强电磁干扰的影响。同时，光纤不导电、重量轻、集成度高的特点取代了传统电磁式互感器的填油等复杂绝缘结构，体积小，造价低，安装维护成本也大大降低。
3.2 工业传感器
国外的工业传感器也经常采用光纤供电的形式。光纤提供了一种抗噪声，抗火花，绝缘的特殊电源，因此光电转换是传感器应用的理想选择，如电磁干扰测试与测量传感器。
电路会产生辐射无线电频率（RF）能量的电磁场，从而增加了电子超过规定EMI（电磁干扰）限制的可能性。磁场或电场探测器用于EMI测试以量化放射水平，并帮助确定电磁干扰的来源。在该测试中使用的探测器的电源一般由电池提供。当电池需要充电时，测试停止，电池充电或更换。电池充电破坏了试验的连续性，增大了测试周期。光电电源可以作为一个孤立的电源来驱动的EMI探针，从而提供一个单一的电源，从而除去了对电池的需要。全光纤转换可以向探头提供动力，使探头以较高的速率发回采样数据，以方便测量。因此，EMI测试可以更有效率和更经济地在较少的时间里完成。
3.3 医疗设备
磁共振成像（MRI）技术可以通过检测核磁共振信号显示人体图像。这些信号用射频线圈检测，这种线圈可以将信号放大到足够电子处理器可以读出的水平。通常情况下，是由一个非常僵硬、笨重、隐蔽的铜电缆向线圈放大器提供电源。在MRI检查过程中所采用的高转换领域，共模信号和接地回路对保持信号的完整性提出了挑战，并且可能导致因电缆过热发生的烫伤。使用非导电纤维可以消除这些风险，并且改进信号的信噪比。由于纤维需要的横截面面积更小，因此在相同的可用空间内可以使用更多的线圈提供动力以改善成像质量。同样，其他电子故障监测设备在强磁场和射频场内也可使用独立的光子电源，以确保无干扰测量。
4 启示与建议
（一）紧密跟踪光纤供电领域技术发展，充分重视其对于航天领域的意义。目前，国外光纤供电技术在航空航天传感器测量领域有广泛的应用，在国内工业领域也有相关的应用，但在我国航天型号研制方面还未涉足，有较大的应用空间。
未来的航天电气系统将会趋向于重量轻、功耗低、内部通信快速灵活的方向发展。采用光纤供电的方式，可以利用光纤作为能力传递和信息交换的介质，大大降低设备重量，避免传统电缆连接的复杂性以及无线射频通信的带宽限制，降低系统电磁兼容和防热设计的难度，对于我国航天技术发展具有推动意义。
（二）结合航天领域电气系统特点，推动电气系统电缆光纤化。目前箭上、弹上系统、地面测试设备和导弹指挥通信设备电气系统普遍使用电缆，然而，一贯使用的以电缆为媒介进行供电和通信的方式存在着许多弊端。箭、弹上存在着许多不同类型的干扰源，对电缆通信造成很大的电磁干扰。特别是对于武器系统而言，在遇到敌方施加电子干扰时，传统的电缆通信方式可能因电磁兼容的缺陷而导致崩溃。光纤供电技术可以彻底避免电磁干扰，降低电气系统防热设计难度，提高信号传输的安全性和可靠性。光纤还具有转弯半径小方便铺设、传输信号容量大、速率高、衰减小、误码率低等常规电缆无法比拟的优点，有利于提高系统的集成化、小型化和安全性水平。
（三）加强顶层牵引，梳理电缆光纤化研制体系。电缆光纤化涉及系统广泛，工程化工作较为复杂。需要充分发挥总体的顶层牵引作用，通过总体技术论证，统筹策划、分步开展、逐步完善，建立完善的研制体系。同时，加强系统性培训，建立面向型号的光纤化技术专业队伍。在研制过程中，可以先对部分对电磁干扰、噪声、防热要求苛刻的电气设备进行光纤化改造，后续再逐步推广到其它设备，最终实现系统光纤化的最优解决方案。
参考文献
关键词：单模光纤 截止波长 光谱传输功率法
0 引言
当光频使传播常数等于外部媒质的平面波传播常数时，模是截止的。所谓光纤截止波长是指高阶模的截止波长。截止波长是单模光纤所特有的参数，它给出了保证单模传输的光波长范围，是单模光纤的本征参量，也是单模光纤最基本的参数。单模光纤传输系统的工作波长必须大于截止波长，否则光纤将工作在双模区，会产生模式噪声和多模色散，从而导致传输性能的恶化和带宽的降低。
理论截止波长可以从光纤的结构设计参数计算出来，它是光纤的固有参数，与光纤的长度和光信号状态无关；但理论和实践表明，光纤的实际截止波长与光纤的长度和弯曲状态及拉丝条件和成缆工艺有关。本文暂就测试时光纤的弯曲半径来分析对截止波长的影响。
1 截止波长的物理概念和定义
导行波系统中，对于不同频率的电磁波有两种工作状态――传输与截止。介于传输与截止之间的临界状态，即由γ=0所确定的状态，该状态所确定的频率称为截止频率，该频率所对应的波长称为截止波长。
所以，只有f>fc或λ
截止波长指的是，单模光纤通常存在某一波长，当所传输的光波长超过该波长时，光纤只能传播一种模式（基模）的光，而在该波长之下，光纤可传播多种模式（包含高阶模）的光。
2 光纤截止波长的测试
2.1 测试原理
当光纤中的模大体上被均匀激励的前提下，包括注入较高次模在内的总光功率与基模光功率之比随波长减小到0.1dB时所对应的较大波长就是截止波长。理论截止波长是单模光纤中仅有基模传输的最短波长。理论截止波长可以用光纤的折射率剖面参数计算得到。在评定光纤的传输性能时，用测量在应用条件下的截止波长比理论值更为重要。截止波长的测量结果随光纤的长度和弯曲状态不同而不同。被测光纤处于已安装的光缆中，或处于短的、未成缆的状态，其截止波长将有很大差别。
本次试验采用的OFM1700光纤多参数分析系统基于传输功率法，即测量光纤中传输的光功率随光波长变化的光谱曲线，并同参考传输光功率的光谱曲线比较后得到该光纤的截止波长。通过弯曲参考技术得到参考传输功率的光谱曲线。弯曲参考技术是将被测单模光纤绕一个半径较小的圈，以带有这样一个小圈的单模光纤的传输光功率谱作“参考”传输光功率谱。
2.2 试验装置
对如上装置简单说明如下：OFM1700光纤多参数分析系统是采用先进的高稳定可调的单色斩波光源系统；微弱信号采集、放大系统；数字锁相系统；机器视觉技术；稳定的光学系统；光纤位置自动控制系统及计算机等组成。系统采用双端面监测系统、全自动调节机构配合计算机图像处理，对光纤位置进行自动调整，从而减小了由于光纤的装校过程中位置的不一致对测量的影响；系统采用稳定的卤钨灯光源配合风冷系统，提供稳定的光源，同时采用高稳定、重复性好的单色仪提供仪器测试所需要的稳定单色光源。
2.3 截止波长测试
OFM1700光纤多参数分析系统基于传输功率法，即测量光纤中传输的光功率随光波长变化的光谱曲线，并同参考传输光功率的光谱曲线比较后得到该光纤的截止波长。通过弯曲参考技术得到参考传输功率的光谱曲线。弯曲参考技术是将被测单模光纤绕一个半径较小的圈，以带有这样一个小圈的单模光纤的传输光功率谱作“参考”传输光功率谱。
由于高次模LP11在接近它的截止波长时，其传输功率对弯曲十分敏感，而基模LP01对弯曲不那么敏感。因此测量一段2m长的短光纤在舒展状态与弯曲状态下的输出功率之比随波长的变化关系，就可找出高次模LP11 的截止波长λC。
取2m±0.2m光纤接入装置中，并弯成松弛的大环和小环，这个大环直径为280mm 的弧与切线相连而组成，小环的直径为60mm 足以滤去高次模LP11。在设定的波长范围内测量出纤功率P1（λ）。保持注入条件固定，放开小圈，使光纤处在大环的状态下，注意：光纤不允许受到任何外部应力。测量此时状态下输出光功率P2（λ）。
得出结论，当大圈直径缩小时截止波长也会随之减少，换言之即滤掉了更多的高阶模。故测试时按照标准使用准确的大圈直径非常重要，偏大或偏小都会严重影响测试数据的准确性。
4 结束语
截止波长与光纤的生产工艺有着莫大的关系，是光纤及光缆的固有参数。但是与其使用时的弯曲半径有着很大关系，事实证明弯曲度越大，光纤的截止波长越短，即越趋近于基膜传输，所以在光纤或光缆的使用或工程安装时尽量避免过多的曲折现象，否则会影响光纤及光缆的传输质量。
参考文献：
[1]蔡春平.拉丝条件对光纤折射率的影响[J].光电子技术与信息，2001，14（3）：17-20.
[2]杨日胜，等.光缆截止波长论述[J].光通信研究，1993（2）：21-27.
