姜德生-光纤传感器产业化工作几点体会与讨论

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1路3号光栅
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产业化存在的问题
光纤光栅传感器种类不多
解调器价格高，品种不全
多技术集成研发投入单位不多
工程应用技术研究不够
产业化关键技术研发
自主知识产权核心技术
传感器
特种光纤光栅 封装 传感器件
解调器
廉价低速解调器 中速解调器 高速解调器
多技术集成和成套技术
工程应用技术研发
大连石化电缆沟长期安全监测 重庆电力(电缆)长期安全监测 武钢电缆沟长期安全监测
三峡白鹤梁水下博物馆保护工程 光纤光栅长期安全监测系统
传感器保护 盒
湖北清江水布垭水利工程大坝 大应变及渗漏光纤光栅监测系统
全球最大面板坝安全检测
沪蓉西施家梁子滑坡监测
沪蓉西施家梁子滑坡监测
宜万铁路边坡安全防护系统
测缝计、渗压计
多点位移计
翻车机动态监测传感器
岸桥起重机安全传感器 ……
煤矿瓦斯气体传感器
一氧化碳、氧气传感器
典 型 光 纤 光 栅 传 感 器
典型其他光纤传感器
波长解调核心技术研究
廉价低速解调器 中速解调器 高速解调器
光纤光栅波长解调技术
可调F－P波长解调技术
光纤
F＝ 9mm 高反射膜
军用 2000以来美国、日本 等国在汽车等更广泛 工业应用领域推广
M-V火箭系统 JAE 三轴惯导系统
国外概况
光纤光栅技术
军用
航天飞机X-33上温度，应变监测
瑞典SMART的国家计划，光纤光栅监视战斗机复合材料结构 美国宇航研究院光纤光栅自适应机翼 美国全光纤水听拖曳阵列(AO-TA)和共形水听阵列(LWPA) 英国全光纤海底声监视系统 美海军和航运公司合作 GCRMTC 计划，已成功将光纤光栅传感大规模用 于船舶、潜艇损伤监测) 阿林顿海军研究办公室资助光纤光栅海军舰艇结构健康监测 比利时、日本、法国等用于核电站安全监测 英美等用光纤光栅监测火药安全 ……
武汉市晴川桥安全监测系统
首次实现桥梁索力实时在线远程监测 及时发现了安全隐患
360
340
320
300
280
260
武汉长江二桥安全监测系统
武汉长江二桥现场 物理层 传感器及数据采集传输系统 数据层 数据采集及通信软件 环境荷载监测 车辆荷载监测 结构响应监测 温度、风速风向、雨量等 车速、交通量、视频、称重等 索力、应变、线形、位移等
上海洋山港岸桥起重机
1286700 1286680 1286660 1286640 1286620 1286600 1286580 1286560 1286540
升温 波长 1299 1298 1297 1296 1295 1294 1293 1292 0 200 400 600
500度时光纤光栅反射光谱图
升温 波长
研发成功的系列光纤传感器
土木工程用 温度、应变\应力传感器 大型装备用 振动传感器 其他 油库火灾监测报警器
索力传感器、锚索测力计 轮轴识别器、称重传感器 隧道火灾监测报警器 土压力计、压力环 光纤高温计、光纤柜位\ 液位计 电力设施火灾监测报警器
nd /cosq
通过旋转滤波片转动扫描
特点
工艺简单，成本低廉，可实现大规模工程应用
解调器
多技术集成和成套技术
是实现产业化和大规模工程应用的关键 十多个专业技术人员从事多技术集成和成套技术研究
光纤传感技术国家重点工业性试验基地
光纤传感器国家高技术产业化示范工程 十五863重大科技成果 “光纤光栅传感技术及产业化研究” 建成了多类光纤传感器的多条生产线 研发成果已在石化、交通、大型土木工程、水利、电力、
光纤光栅传感器研发
特种光纤光栅
啁啾光纤光栅 三角形光纤光栅 相移光纤光栅 高温光纤光栅
编码光纤光栅
采用谱型控制方法制备三角形光栅
无胶化FBG的制备技术
发明专利：ZL200410061378.9
光纤光栅的金属化涂敷技术 光纤光栅传感器的激光精密焊接技术
高温光纤光栅传感器
其他工程应用
大型结构工程安全监测
三峡重点文物“白鹤梁”水下博物馆 湖北水布垭电站锚固工程 沪蓉西施家梁子滑坡监测 宜万铁路边坡安全防护系统 港口大型翻车机实时在线监测 岸桥起重机实时在线监测 大型浮吊实时在线监测 发动机在线监测
大型机械装备安全监测
电力系统的安全运行监控
19:27:50 19:28:31 19:29:12 19:29:53 19:30:33 19:31:14 19:31:55 19:32:36 19:33:17 19:33:58 19:34:39 19:35:19 19:36:00 19:36:41 19:37:22 19:38:03 19:38:44 19:39:25 19:40:05 19:40:46 19:41:27 19:42:08 19:42:49 19:43:30 19:44:11 19:44:52 19:45:32 19:46:13 19:46:54 19:47:35 19:48:16 19:48:57 19:49:38 19:50:19 19:50:59
重大装备、煤矿等行业领域重大工程获得广泛应用
光纤传感技术研发基地
光纤传感器产业化基地
工程应用技术研发
工程模型实验验证
传感器的标准化、系列化
工程应用
汽车动态称重传感器测试模型
光纤称重传感系统工程应 用验证与测试场景
动态称重测试数据
5公里1号光缆温度-空间分布图
光纤
n· d
问题 1. 光纤直径小 （f9mm），需要高难度的微加工技术
2. 光纤需要平动扫描，很难保证高精度平行
研究高性能、低成本的波长解调技术是 光栅传感技术产业化的关键之一
组合式角调谐波长解调技术
（ZL200320116137.5）
光纤 准直器 高反膜 滤波片 准直器 光纤
θ
入射光
透射光
光程
解决了长距离火灾探测与传输的难题，实现20 公里长无中继的火灾监测技术
在世界规模最 大——陕西秦岭 终南山隧道火灾 报警工程国际招 标中以技术第一 中标，建成并评 为优秀项目
世界规模最大的公路隧道火灾报警
中 标 通 知
获 优 秀 项 目 奖 通 知
已在40多个隧道的火灾报警中应用
用户报告 无漏报、误报，结构 简单，维护方便，传 输距离远，不受电磁 干扰，可实时显示隧 道内温度，系统具有 自检功能，能满足隧 道安全运行要求
国家四大战略储备油库火灾 报警工程全部中标并已建成 2007年国家某石油战略储备 基地10万立方米特大油罐两 次雷击失火，均及时报警， 避免了重大损失
镇 海 国 家 石 油 储 备 基 地
油罐火灾自动报警设施可靠
15点16分，总控室接到47# 罐火灾自动报警信号
大型油罐光纤火灾报警系统
大型隧道工程的火灾报警
光纤光栅技术国外概况
民用
发达国家桥梁的安全监测大多采 用光纤光栅传感技术


大坝等大型土木工程安全监测
德西门子等公司等已用于大型电 机和高压传输电缆


美 CIDRA 和英 Sunart Fibers
Ltd 等用于输油管线和海洋石油 ……
国内需求
新建桥梁几乎都增设长期健康监测系统
公路隧道火灾监测和汽车称重急需新技术 桥梁和水利等锚索长期实时安全监测要求十分迫切 电网长期安全运行日益得到重视 中石化安全局2001年下文，所有5万M3以上油罐必 须装火灾报警系统 ••••••
光纤传感器产业化工作 几点体会与讨论
姜德生 周次明 武汉理工大学 2007.10
光纤传感器产业化工作几点体会与讨论
一．国外概况 二．国内需求和存在的问题
三．产业化几点体会与讨论
自主知识产权核心技术研究 多技术集成和成套技术研发 工程应用
四．新型传感器基础研究
国外概况
光纤陀螺及惯导系统
宜昌－万县铁路安全监测路段划分示意图
每个路段传感区域划分示意图
大型旋转机械装备安全监测
港口大型翻车机实时在线监测
岸桥起重机实时在线监测
大型浮吊实时在线监测
发动机在线监测(高速旋转设备长期在线监测)
秦皇岛港口翻车机安全监测
翻车机端环应变测量布点示意图
传感器在端环、 U形架和拉杆等 关键部位布点情况
数据处理及数据库管理系统
信息层
综合数据库管理软件
安全运营及预警报告系统软件 信息处理及应用系统 应用层 维修养护决策支持系统软件 健康状况评估专家系统软件
信息 查询
统计 分析
远程 管理
状况 评估
养护 决策
费用 分析
预警 预报
灾害 处理
武汉长江二桥健康状况综合评估模型
主梁应力 主梁评估 健 康 状 况 综 合 评 估 混凝土质量 主梁挠度 固有模态 拉索索力 混凝土开裂 钢筋锈蚀 混凝土强度 保护层损伤
2号光缆温度-空间分布图
3号光缆温度-空间分布图
2+3号光缆温度-空间分布图
沪蓉西隧道试验检测
火车轮轴与轨道监测
工程应用
石化领域应用
大型隧道工程应用
大型桥梁安全监测的应用
其它领域应用
国家四大战略储备油库和石化领域应用
解决了大型油罐火灾监测的工艺设计、安装、检测等成 套技术难题
参与制订了《线型光纤火灾探测器》的国家标准
50 0 -50 -100 -150 -200 -250 -300
-150
-100
150 100
-50 50 0
100
150
200
监测数据
A处U型架下部斜面处轴向
平台大梁中端北面轴向
19:27:50 19:28:29 19:29:08 19:29:47 19:30:26 19:31:05 19:31:44 19:32:22 19:33:01 19:33:40 19:34:19 19:34:58 19:35:37 19:36:16 19:36:55 19:37:34 19:38:13 19:38:52 19:39:30 19:40:09 19:40:48 19:41:27 19:42:06 19:42:45 19:43:24 19:44:03 19:44:42 19:45:21 19:46:00 19:46:39 19:47:17 19:47:56 19:48:35 19:49:14 19:49:53 19:50:32
厦门翔安隧道结构安全长期监测
大型桥梁安全监测
解决了桥梁多参数(索力、应 变、振动、温度、车辆超载 等)光纤光栅安全监测的技术 难题 解决了光纤光栅传感用于恶 劣环境的工程技术难题 应用在包括世界跨度最大、 承受荷载最重公铁两用斜拉 桥 ----武汉天兴洲长江大桥等 十余座特大型桥梁的长期安 全监测中
专家评价
相关数据
平台大梁近端左部轴向
1302500 1302400 1302300 1302200 1302100 1302000 1301900 1301800
14:51:35 14:51:43 14:51:51 14:52:00 14:52:08 14:52:16 14:52:25 14:52:33 14:52:42 14:52:50 14:52:58 14:53:07 14:53:15 14:53:23 14:53:32 14:53:40 14:53:49 14:53:57 14:54:05 14:54:14 14:54:22 14:54:30 14:54:39 14:54:47 14:54:56 14:55:04 14:55:12 14:55:21 14:55:29 14:55:37 14:55:46 14:55:54 14:56:03 14:56:11 14:56:19 14:56:28
锚头锈蚀、锚固区损伤 护套损伤
斜拉索评估
表观质量
钢丝锈蚀
索塔应力 塔墩评估 塔顶偏位 混凝土质量 墩台沉降
减震器损伤
混凝土开裂 钢筋锈蚀 混凝土强度 保护层损伤
桥梁安全实时监测系统
汉口上游C24号索振动频谱图
汉口上游C24号索实测索力值
重载车辆识别子系统
光栅传感器
光纤
1302030 1302020 1302010 1302000 1301990 1301980 1301970