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光纤传感器主要的应用场景有哪些?

光纤传感可以不断汲取光纤通信的新技术、新器件,各种光纤传感器有望在物联网中得到广泛应用。

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光纤传感器利用光的特性(如相位、波长、强度)变化来感知外部物理量(温度、压力、应变、振动、位移等),其核心优势在于抗电磁干扰、本质安全(无电火花风险)、耐腐蚀、体积小、重量轻,并具备长距离、分布式传感的能力。这使得它在众多特殊和苛刻环境中成为理想的传感解决方案。

以下是光纤传感器主要的应用场景:

  1. 工业过程控制与安全监测

    • 电力系统:高压变压器、发电机、电缆接头、开关柜的温度在线监测;高压传输线路的电流、电压传感(无电接触风险)。
    • 石油化工与危险环境:炼油厂、化工厂、储油罐区的温度、压力、液位监测(本质安全,防爆);气体泄漏检测(特定气体吸收光谱)。
    • 工业设备健康监测:大型电机、泵、风机的振动监测;关键设备的应变、位移监测,用于预测性维护。
    • 火灾报警:分布式光纤温度传感器用于隧道、大型仓库、输煤皮带沿线、电缆沟道的早期火灾探测。
  2. 结构健康监测

    • 大型土木工程结构:桥梁、大坝、高层建筑、大型体育场馆、隧道的应变、振动、裂缝、位移、倾斜长期监测,评估结构安全性和寿命。
    • 能源设施:风力发电机叶片和塔筒的应变、振动、载荷监测;水电大坝的应力、位移监测;核电站安全壳的形变监测。
    • 交通基础设施:铁路路基和轨道的应变、振动、位移监测;海底隧道、海底管道的结构完整性监测。
    • 航空航天:飞机机身、机翼的应变、温度、载荷实时监测(减轻重量,抗干扰)。
  3. 能源与环境监测

    • 油气资源勘探与生产:井下温度、压力、声波振动(分布式声传感 - DAS) 监测,用于油藏描述、生产优化、水力压裂监测。
    • 地质与环境灾害:山体滑坡、地震、地面沉降的应变、振动、位移监测(长距离、深井监测);管道泄漏监测。
    • 环境参数:水质参数(浊度、pH值、化学物质)监测;大气污染气体浓度监测;温度/应变监测用于研究冻土融化等地表过程。
    • 风电场:除了结构健康,还用于优化风资源评估和功率预测。
  4. 军事与安防领域

    • 边境与周界防护:分布式光纤声波传感器用于长距离(几十至上百公里)入侵检测、定位与识别(脚步声、车辆、挖掘等)。
    • 关键设施安防:军事基地、机场、核设施、管道的周界入侵监控。
    • 舰船/潜艇监测:用于声纳系统的光纤水听器(水下声学传感),具有高灵敏度、抗电磁干扰特性。
    • 武器装备健康监测:导弹、坦克、舰船的结构状态监测。
  5. 生物医学与科学应用

    • 医疗器械:用于磁共振成像环境下的温度、压力、流量传感(MRI兼容,无金属);微创手术器械末端力传感;血糖浓度等生化参数传感。
    • 生命体征监测:光纤植入式传感器用于监测生理参数(如颅内压、血压)。
    • 科学研究:高能物理实验中的抗辐射传感;低温物理实验中的温度、磁场精密测量。
  6. 通信与网络

    • 光纤通信链路性能监测:分布式光纤传感器用于监测光缆的损耗、断点定位(OTDR原理)、温度、应力变化,提高网络可靠性。这是比较重要的应用之一。

总结来说,光纤传感器特别适用于以下关键需求场景

  • 强电磁干扰环境(电力、工业自动化)。
  • 易燃易爆危险环境(石化、煤矿、航空航天)。
  • 需要长距离、大范围连续监测(管道、周界、结构)。
  • 分布式测量需求(温度场、应变场)。
  • 小型化、嵌入化要求(生物医学、复合材料)。
  • 高精度、高稳定性长期监测(大型工程、科学研究)。

这些特点使得光纤传感器在现代工业、基础设施、能源环境、军事安全以及科研医疗等众多领域发挥着不可替代的作用。

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cs110 2019-07-15 07:12:33

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