一、應變和溫度及其傳統測量方法

傳統測量應變及溫度的方法有電子應變片測量應變及熱電偶測量溫度，盤點電子應變片和熱電偶的缺點包括：單點測量、并行測量，無法復用；占用空間較大，系統復雜，可靠性低，不足以勝任大面積長距離長壽命監測；帶電和電火花風險，無法用于易燃易爆工況；易受電磁場干擾，各類輻射環境下無法長期穩定工作。

二、光纖傳感器和光纖Bragg光柵(FBG)傳感器

1938年發明，把微小的機械應變轉換成可測的電阻變化

常規溫度傳感器基于熱電原理或者電阻的溫度系數

1、光纖Bragg光柵 （FBG）技術優勢

2、另一類光纖傳感系統

• 纖芯內“無“光柵 ：OTDR

• 光時域反射法 ：OFDR

• 光頻域反射法 ：DTS

• 分布式溫度傳感

激光脈沖引入光纖形成一維光學“雷達”，利用纖芯內任何一點的Raman散射/ Rayleigh 散射/ Bouillouin散射獲得該點處的溫度和應變等動態信息，更密集的連續分布式傳感，但取樣速率較低，硬件昂貴。

三、飛秒激光逐點直寫FBG(fsFBG)傳感器及其優勢

1、光纖傳感應用領域的挑戰

(1). 核電站，反應堆，散列中子源，核廢料存儲裝置 (高溫，強輻射)

(2). 科學高級光源，同步輻射光源，自由電子激光器 (meV到MeV的電磁輻射)

(3). 燃氣輪機，汽輪機，航發，煤炭氣液化(高溫，高壓，反應性腐蝕氣體)

(4). 石油勘產(高溫，高壓，高濃度氫氣，水汽)

(5). 航空航天航海高級智能結構 (植入，高溫焊接)

(6). 高電壓大電流環境下傳感 (絕緣，可靠性要求)

(7). 微波和激光消融手術 (高功率瞬時溫度沖擊)

(8). 手術機器人的體內力學傳感

2、常規光纖Bragg光柵（FBG）技術缺陷

(1). 長時穩定工作溫度極限不到300度，不耐核輻射

(2). 制造過程繁瑣：剝離-再涂敷，載氫，敏化, 退火, 再生，細芯重摻鍺...

(3). 剝離-再涂敷嚴重損害光纖機械強度，碳涂敷層，Ormocer涂敷層無法再涂敷

(4). 制造過程受掩模板限制缺乏靈活性

(5). 單個光柵點折射率調制低，易退化，光柵長度大。

(6). 在純石英-，藍寶石-，氟化物-，硫族光纖無法/難以寫入FBG

(7). 單纖FBG陣列受成品率限制價格高昂，或者需熔接

3、飛秒逐點直寫光纖Bragg光柵（FsFBG）

新型飛秒激光逐點直寫技術高效靈活制造FBG：fsFBG

優勢

• 飛秒激光的非線性光學效應產生非常穩定的，不可擦除的光柵作為傳感器件

• 透過涂敷層直寫不受損害光纖本身強度

• 靈活制造，對光纖材料，涂敷層材料幾乎無要求，柔性制造密集FBG陣列，兩FBG距離短可至毫米以下

• 全自動制造，極大提升互換性和經濟性

FsFBG的信號的溫度穩定性高，可在1000C長時間生存

各類光纖上制造的fsFBG的溫度信號穩定

飛秒激光直寫技術刻制常規方法無法刻制的特殊光纖，如耐輻射摻氟光纖

飛秒激光直寫技術透過光纖涂敷層刻柵，保留涂敷層阻水優良性能

輻射引發的常規光纖額外的光衰減

飛秒激光直寫技術是全自動高效方法

碳涂敷層阻水能力

用于準分布式溫度傳感的高密度弱反射FBG陣列

四、fsFBG傳感器在特殊特種環境中的應用——化工行業

化學反應器中的高溫光纖傳感技術——準分布式fsFBG溫度傳感系統在化學過程控制中的測溫演示

       與傳統傳感器相比，有更高的空間分辨率-重建和 顯示大區域的溫度分布

• 溫度監測高達1000℃，短時更高

• 通過應用光纖傳感陣列，顯著降低了對鉑傳感器的 布線要求

• 傳感器信息的實時測量和處理——與基于OTDR的 技術相比，無延遲

• 高度獨立的設置-客戶定義的傳感器位置和密度

• 無源傳感器和無維護操作詢問裝置

• 廣泛與工業分布式控制系統和總線系統兼容

• IP68工業級保護