光纤传感器在冶金行业的应用

一、光纤传感器和光纤Bragg光栅(FBG)传感器

1、光纤Bragg光栅 （FBG）技术优势

2、另一类光纤传感系统

纤芯内“无“光栅 ：OTDR

光时域反射法 ：OFDR

光频域反射法 ：DTS

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等动态信息，更密集的连续分布式传感，但取样速率较低，硬件昂贵。

二、飞秒激光逐点直写FBG(fsFBG)传感器及其优势

1、光纤传感应用领域的挑战

(1). 核电站，反应堆，散列中子源，核废料存储装置 (高温，强辐射)

(2). 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)

(3). 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)

(4). 石油勘产(高温，高压，高浓度氢气，水汽)

(5). 航空航天航海高级智能结构 (植入，高温焊接)

(6). 高电压大电流环境下传感 (绝缘，可靠性要求)

(7). 微波和激光消融手术 (高功率瞬时温度冲击)

(8). 手术机器人的体内力学传感

2、常规光纤Bragg光栅（FBG）技术缺陷

(1). 非永久光栅，长时稳定工作温度极限不到300度，不耐核辐射

(2). 制造过程繁琐：剥离-再涂敷，载氢，敏化, 退火, 再生，细芯重掺锗...

(3). 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

(4). 制造过程受掩模板限制缺乏灵活性

(5). 单个光栅点折射率调制低，易退化，光栅长度大。

(6). 在纯石英-，蓝宝石-，氟化物-，硫族光纤无法/难以写入FBG

(7). 单纤FBG阵列受成品率限制价格高昂，或者需熔接

3、飞秒逐点直写光纤Bragg光栅（FsFBG）

新型飞秒激光逐点直写技术高效灵活制造高端 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，极大提升互换性和经济性

FsFBG的信号的温度稳定性高，可在1000C长时间生存

各类光纤上制造的fsFBG的温度信号稳定

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

辐射引发的常规光纤额外的光衰减

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

碳涂敷层阻水能力

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高密度弱反射FBG阵列

三、光纤传感技术在冶金行业如何进行高温测温

1、工况要求

钢铁工业中热压板内温度场分布测量

水冷式热压板温度不许超过350 °C

高温,大面积,连续,实时,在线监测温度需求

2、解决方案

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°C

3、案例

fsFBG温度传感系统在冶金行业的案例：ABB冶金，对冶金轧制过程中的温度进行监控

　　审核编辑：汤梓红