光纤传感：过去、现在和令人激动的未来

光频域反射计的实际使用案例

航空航天

应力和应变是判断飞行器寿命和操作安全的主要参数。航空公司和航天机构一直在努力寻找更安全的设备和工艺。然而，现有技术使得监视并保持飞机和航天器结构安全的难度和成本都很高。另外，现有技术不能明确地指示一架飞机或航天器何时寿命终止。

由于可以在头发丝细的光纤中包含成千个传感器，光纤传感器解决方案可以提供详细的飞行器健康信息。例如通过在航天领域使用光纤传感器，工程师可以：

●尽量减少飞行器的故障时间，精准调整维修保养计划
●通过本质安全的燃油量测量改进燃油消耗
●监视翅膀和其它易变形部件的形状
●判断飞行器何时达到终了寿命
●理解复杂的机身对飞行条件的响应
●在飞行过程中向控制系统提供反馈数据


图1 保持飞机和航天器的结构安全是光纤传感器的实际使用案例。在头发丝细的光纤中包含有数千个传感器。

通过使用光纤传感器技术，工程师可以通过连续监视应变、温度、应力、负载、机外变形和3D形状来测试、监视和分析材料结构的完整性并捕获飞行器部件的位置反馈数据。工程师可以借助这些数据提高飞行器的安全性、延长使用寿命、减少维修时间并增强飞行效率——所有这些成果最终都将反映为成本的下降。

医疗

光学形状传感器的小直径和化学惰性使得光纤传感器技术成为医疗应用的理想选择。这些特性允许光纤传感器与现有的微创技术结合在一起。利用光纤传感器技术可以向外科医生提供有关整个仪器长度的位置信息，不需要使用x射线或超声波。3D数据可以实时绘制出来，并显示在监视器上，用于展示仪器的位置。这种图像还可以与身体内已知的位置坐标进行比较，帮助内科医生将内窥镜尖端发送的参考视频与仪器其余部分如何放置及位于何处结合起来。这种改良的位置感知有助于实时的仪器引导，最大限度地减少向病人身体内注入外来材料，并远离辐射。

在医疗行业内使用光纤传感器的好处包括：
●改进MRI系统中的成像技术
●辅助血管操作和检测，以识别血管堵塞的严重性
●在微创手术和探测过程中判断目标形状
●实现更高分辨率的仪器跟踪，同时尽量降低与传统成像方法相关的复杂性
●尽量减少向身体内注入外来材料

能源

光纤传感器也是海底立管监视应用的理想之选，因为它能提前收集实时的张力、扭矩和形状信息。海底立管设计可以承受工程师从未见过的某些最复杂负荷和恶劣环境。立管的动态特性、它的部件及其环境使得它容易受到结构性应力、疲劳应力、材料磨损、机械性能劣化、冲击和环境引起的负荷。由于这些和其它因素，传感器和使用仪器测量立管对负荷的结构性响应的能力就显得非常重要。

通过在各种能源应用中使用光纤传感器可以：
●最大限度地提高立管和钻井平台的完整性
●根据变形和旋转信息向风力机叶片提供控制系统反馈
●监视风力机叶片的结构完整性
●检测核电站部件结构性的健康和校准信息

光纤传感器的未来

光纤传感器的价格及尺寸是光纤传感技术的普及目前面临的两大障碍。一旦这些问题得到解决，我们就有望看到在新的行业中更多的使用案例。

就拿时尚行业来说。未来人们可以将传感器插入服装的某块缝合处，提供有关个人的体形、身高、重量分布等所有数据和信息。这些数据再用来为该穿戴者设计专门的服装。这将彻底冲击时尚业，根本改变服装设计生产的方法。想象一下在网上购物，衣服到你手中时已经经过剪裁完美地适合你的身材，简直太酷了。

让我们再看看汽车行业。通过在整个汽车结构件中插入光纤传感器，我们可以接收到有关汽车如何响应周边环境变化的实时反馈，或监视某个汽车部件何时需要更换。这些工作都可以实时完成，并在紧急情况可能发生之前提醒驾乘人员。

在建筑领域，光纤可以放进楼宇或道路中，用于监视和判断建筑材料在长时间使用过程中受环境影响的程度，并在问题发生之前及早检测出来。

本文小结

内在光纤传感技术在空间分辨率、刷新率和检测长度方面的优势已经帮助提升了许多行业解决问题的能力。光纤传感器收集的数据和信息不仅有助于工程师解决当前的问题，还有助于未来的推陈出新。随着这种技术的不断发展，诸如航天、能源和医疗等领域的设计和应用也会越来越先进。随着工程师通过创新不断地挖掘技术的潜力，传感检测系统还能够解决萌芽中的问题。光纤传感器具有很大的灵活性，足以实现为一种平台，然后作为关键系统的一个组件集成进设计中，用于实现必要的实时监视功能，或单独作为先进的测试套件使用。