光纤传感在制造领域应用的分析与思考

　　摘要：智能制造是制造领域的最新发展方向，它是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，具备感知、决策、执行、学习、互联等特征，是先进制造技术、信息技术和人工智能技术的集成和深度融合，其中新型传感技术是实现智能的基础。新型传感技术为产品进化设计、制造工艺优化、产品质量和装备运行状态监测及装备预测性维护等提供可靠的数据来源，在智能制造中具有基础性的重要地位。回顾光纤传感这一新型传感技术局在离散制造、流程制造、重大和高端装备中的应用现状，分析光纤传感技术的特点和在制造领域的优势、光纤传感对推动智能制造的作用，以及光纤光栅传感技术和数字孪生的关系等。在此基础上，重点提出光纤传感技术在制造领域应用中存在的一系列科学问题以及光纤传感的应用原则，指出光纤传感技术将朝着标准化、智能化、网络化等方向发展，同时指出，在今后相当一段时间，光纤传感基础器件研究、面向极端制造环境和高端装备的应用研究以及精准化、微小型化、集成化和CPS融合等的研究乃是光纤传感技术在制造领域研究的主流。

　　关键词：光纤传感;智能制造;封装结构;数字孪生;应用原则

　　0前言制造业是国民经济和国家安全的支柱，许多国家特别是工业发达国家对制造业的地位越来越重视。美国于2018年提出了“美国先进制造领先战略”，对于智能制造系统的未来，强调传感和异常校正技术对保证产品一致性、质量及可追溯性的重要性[1]。德国于2011年提出了“工业4.0”战略，将智能工厂、预测性维护、3D打印、智能传感器等作为第四次工业革命的技术发展趋势。我国也于2015年提出了“中国制造2025”战略，突破新型传感器，研发具有深度感知功能的智能制造装备以及智能化生产线，推进信息化与工业化深度融合是其重要战略任务之一。

　　通信评职知识：光纤通信论文文献

　　在上述战略中，数据是智能制造的基石，而传感技术为产品设计、制造和维护提供数据驱动[2]。由此可见，传感技术在智能制造中具有基础性的重要地位。大型机械装备是制造业中的关键设备，其结构复杂，多数工作在高温、高压和重载等极端环境下。随着科学技术的发展，对多参数、大容量、分布式、实时在线检测的要求越来越突出，特别是对于大型机械，由于其结构的复杂性和在高温、高压、高速状态下运行，使得其运行状态存在多变性、耦合性和非线性，采用常规的电测技术很难，甚至根本不能满足多参数、大容量、分布式、实时在线检测的要求[3]。

　　此外，制造过程的工艺状态参数众多，各工艺参数对产品的质量至关重要，为了优化工艺参数和实现产品质量追溯，工艺状态感知十分重要，但大规模的工艺参数感知同样对检测技术提出了多参数、大容量、分布式、实时在线检测的要求。对此，国内外不少研究机构和学者都在积极地探索新的适用于多参数、大容量、分布式、实时在线检测的新理论与新技术。近年来，传感技术的研究和开发，得到制造领域越来越高度的重视。

　　一些新型传感器和成果技术不断产生，其中光纤传感技术这几年来得到了快速的发展，为机械系统运行状态和产品质量监测与故障诊断提供了一种新的原理和方法。尤其是对于运行环境恶劣、工况与结构复杂的高端机械装备，光纤传感体现了巨大的优势。光纤光栅(Fibrebragggratings，FBGs)传感器是一种尺寸小、电隔离、抗电磁干扰、高精度、高稳定性和具有良好环境适应性的传感器，可以实现多种物理量的大容量、分布式动态检测。在特种光纤或微结构光纤上在线连续 写入光栅，可形成连续的超弱光栅阵列，通过超大容量的波分/时分复用多波长在线光栅阵列的解调，可以实现成千上万个光栅的复用[4]。从而可实现“无源多场、一线多点”的机械系统运行状态的实时测量。

　　另外，光纤光栅有效克服了当前电学类传感器在耐温性、长期稳定性、耐久性、安全性、分布传感等方面存在的不足，还可通过非接触式方式传输光信号。光纤光栅对温度和应变敏感，经过封装可以制成多类传感器。在制造领域，光纤光栅传感器既可以用于制造装备运行状态监测和工艺状态监测，也可用于制造产品运行状态的健康监测。因此近年来光纤光栅传感技术被广泛用于制造业许多领域[5]。本文通过WebofScience中搜索标题包含“fibrebragggrating”或“FBG”，并且摘要包含“manufacturing”的文献(截止时间2019年12月31日)，然后排除无关文献，剩余1275篇文献。

　　文献的时间跨度从1994年至2019年，文献数量总体上呈逐年递增的趋势，并且近10年的相关文献占总量的64.3%，说明当前对制造领域中的光纤传感技术的研究越来越深入。在1275篇文献中，754篇文献发表在期刊上，发表文献数量前5位的期刊是《IEEEPhotonicsTechnologyLetters》，《JournalofLightwaveTechnology》，《OpticsLetters，OpticsCommunications》和《IEEESensorsJournal》。从文献分布的国家和地区来看，相关文献来自58个国家和地区，主要包括中国、美国、加拿大、英国、澳大利亚、德国、日本、意大利、西班牙和法国等国家，其中，中国、美国、加拿大依次位列前3位，表明我国在制造领域中的光纤传感技术研究处于国际领先地位。制造业涉及国计民生的众多领域。当前，光纤光栅在制造业中应用广泛，包括机械加工装备、航空航天器、化工等。本文重点对离散和连续制造中的典型装备，以及重大和高端机械产品的光纤传感检测及其应用的问题进行分析。

　　1光纤传感在制造领域的国内外研究现状

　　1.1光纤传感在离散制造中的研究现状

　　数控机床是离散制造业的重要装备，其加工精度直接影响零件的质量和产品的性能。数控机床加工精度的影响因素包括运动学误差、热误差、切削力误差、伺服误差和刀具磨损等[6]。机床的运动学误差和热误差是数控机床加工精度的最大影响因素，其中，热误差可达机床总误差的40%～70%[7]，尤其对于重型数控机床，由环境温度等引起的结构热误差往往占机床总误差的份额较高。影响机床零部件热变形的热能主要来源是环境温度、冷却液、切削生热、电机电阻生热、机床零部件之间的摩擦生热等，产生热变形的主要零部件是主轴、滚珠丝杆和机床结构件等。热误差补偿的基本前提是测量机床热变形部件的温度场和形变，建立机床的热误差模型[8]，从而在机床工作过程中对其热误差进行准确监测、预报和补偿。

　　1.1.1数控机床温度场监测

　　测量机床温度场的方法可以分为接触式和非接触式两类。非接触式测量方法主要是采用红外热成像的方法获取机床零部件的表面温度，其测量面积大，但对于重型数控机床，需要多台红外热成像仪，成本高昂，而且难以跟踪测量机床旋转部件的温度场。接触式温度传感器是当前使用最普遍的机床表面温度传感器，其基本原理是基于热敏电阻和热电偶，具有工艺性好、价格低的优点。然而，所有传统传感器在机床表面温度监测中还存在以下不足[9]。

　　(1)环境适应性差：数控机床工作环境中存在油液、冷却液、切削屑等，其容易造成热敏电阻和热电偶的腐蚀或损坏。(2)抗干扰能力差：重型机床上电机和电柜工作时产生强电磁场，容易对热敏电阻和热电偶的工作产生干扰，造成数据噪声大，并降低数据的可靠性。(3)重型数控机床的热误差分析需要建立在大量温度监测数据的基础上，需要几十乃至几百个温度测点，每个热敏电阻和热电偶需要两条导线，造成引线多，难以大量部署。

　　2光纤传感的特点及在制造领域应用的优势

　　2.1光纤光栅传感原理

　　光纤光栅是通过紫外曝光技术在经过载氢增敏的光纤芯内形成折射率周期性分布结构。当带宽光入射光到光纤光栅时，折射率周期性结构会反射回特定波长的窄带光，反射光中心波长满足Bragg反射条件。

　　3光纤传感对智能制造的推动作用

　　感知数据为产品的全生命周期提供数据支撑，感知的准确度直接决定了产品的加工质量、装备故障诊断和预测的准确性，因此，精准的智能感知是智能制造的基础。光纤传感技术对智能制造的推动作用主要体现在形成智能材料、实现精准感知、构建传感网络和形成智能闭环等方面。

　　4光纤传感与数字孪生的关系

　　数字孪生是智能制造的核心内容之一，它是利用物理模型、传感器感知，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，实现虚实空间的精准映射，保证数字孪生体总是准确反映物理实体的真实状态，从而可以利用高保真度的数字孪生体提高产品设计、制造和维护水平[120]。在制造领域，产品、产线、车间、工厂都可拥有其对应的数字孪生模型。

　　其中，针对产品的数字孪生，可以建立其设计、制造、服役维护、回收阶段等产品全生命周期不同阶段的数字孪生模型[121]。数字孪生对于预测和优化产品性能、推进设计和制造高效协同、确保设计和制造准确执行等方面具有重要的作用。无论建立何种对象的数字孪生，关键的核心技术：①物理空间对象的多尺度、精准、实时感知;②数字空间模型的高精确度建模;③物理空间和虚拟空间的交互技术。其中，对物理空间对象的多尺度、精准、实时感知是数字空间与物理空间关联共生、双向映射，保证数字孪生体准确度的关键，也是数字孪生区别于传统虚拟仿真的关键所在[122]。

　　5光纤传感应用的科学问题和应用原则

　　5.1光纤传感应用的科学问题

　　虽然国内外学者长期以来在光纤光栅传感器封装和应用上开展了大量的研究，但在光纤传感器在恶劣环境下的性能、传感器数据处理和应用等方面还有存在一定的不足。(1)在传感器性能方面：光纤光栅会随着时间衰退，在高温环境下更是如此，光栅的衰退会造成光栅中心波长偏移，影响传感器的长期稳定性。光纤光栅通常需要通过一定的封装将其用于其他物理量的测量，封装材料的性能退化也会影响光纤光栅传感的性能，特别是在高温、高压、腐蚀环境下，封装材料的性能更容易产生退化。此外，光纤光栅振动传感器的响应频率与传统的压电类振动传感器还存在一定的差距。

　　当前的研究对上述问题还缺乏有效的解决途径，对光纤光栅传感器的应用形成了制约。(2)在传感数据处理方面：当前针对重型机床、飞机等大型复杂机械的状态监测系统侧重于状态参数的获取，对监测数据的处理关注较少。然而，大型复杂机械结构大，其状态参数多、数据量大，对数据处理的实时性提出了很高的要求，而且状态参数之间可能存在相互耦合，这对数据解耦带来了极大的挑战。

　　6光纤传感的发展展望

　　本文概述了光纤传感在制造领域的发展现状、光纤传感对推动智能制造的作用、光纤传感应用的科学问题和应用原则，以及光纤传感与数字孪生的关系等。对比国内外的研究现状可以看出，国外在光纤传感方面的研究起步早，提出了光纤光栅、光子晶体光栅、EFPI-FBG复合传感器等不同类型的光纤传感原理，国内在光纤传感器的应用方面开展了更为广泛的研究，将光纤传感的应用拓展到大型、高端装备。在传感器的性能指标方面，国外在光纤传感器的耐低温(可达−269℃)和耐高温性能(可达1900℃)、基于金属3D打印的光纤传感器封装等方面目前更具优势，国内在光纤光栅振动传感器的性能参数和测量维度方面更具优势。

　　7结论

　　传感技术为机械产品和装备的设计、制造和维护等全生命周期不同阶段中的优化和决策提供准确、可靠的数据，是智能制造的基石。光纤传感以不受电磁干扰、稳定可靠、体积小、多物理量分布式测量、容量大等无可比拟的优势正得到越来越多的重视。大力发展光纤传感技术，解决光纤传感技术在制造领域应用的瓶颈，能够满足智能制造高可靠、高性能、大规模感知需求，为智能制造提供更为强大的驱动力。

　　本文在综述了光纤传感在离散制造、流程制造，以及重大和高端装备的状态监测和维护的国内外研究现状的基础上，分析和总结了光纤传感的特点及其在制造领域应用的优势，阐述了光纤传感技术对智能制造在形成智能材料、构建传感网络、实现精准感知和形成智能闭环等方面的推动作用，总结了基于光纤光栅还存在从传感的无源多场状态智能感知新原理、特殊工况计算模拟的理论与方法，到多传感器数据传输、处理和数据融合的理论与算法等一系列有待解决的科学问题，并指出光纤传感技术标准化、智能化、网络化、集成化、基础器件研发、极端制造环境感知是光纤传感在制造领域的发展趋势。

　　作者：周祖德1姚碧涛1谭跃刚1刘明尧1李天梁1魏勤