概述
光纤智能健康监测系统主要由以下三部分构成：光纤传感器系统，信号传输与采集系统，数据处理与监测系统。
其中光纤传感器系统包括光纤传感器的选型，选择具体的调制方式和符合性能要求的光纤传感器，然后需考虑光纤传感器的拓扑方式，要考虑传感器的安装是外表粘贴式还是内部埋入式。
信号传输与采集系统包括光纤传感器的校正、采样模块以及海量实时数据的存储结构和方式。
数据处理与监测部分是健康监测系统的核心部分，包括大量数据的有效性分析、结构健康性能指标的参数选择、结构运行状态的可视化系统以及相应的灾害提前预警功能等。
光纤智能健康监测系统的各部分之间是相互联系、缺一不可的，每一部分都是整个系统的有机组成部分。由于目前光纤传感器的标准化程度还不高，不同类型的传感器一般都需要特定的解码系统，因而一旦传感器确定后，相应的信号采集与处理系统也便随之而定。所以光纤传感器的优化布置方法和实时信号的分析监测便成为光纤智能健康监测系统应用的关键问题。
进行监测时，光纤传感器测量到的结构实时状态信号经过信号传输与采集系统送到监测中心，进行相应的处理和判断，从而对结构的健康状态进行评估。若监测到的关键健康参数超过设定的阀值，则通过即时信息(SMS)、E-mail等方式及时通知相关的管理机构，以便采取相应的应急措施，以避免造成重大的人员和财产的损失。
光纤传感器
光导纤维的应用是传感器领域的重大突破，起源于光纤通信技术。在光通信利用中发现当温度、应力等环境条件变化时，引起光纤传输的光波强度、相位、频率、偏振态等变化，测量光波量的变化，就可知道导致这些变化产生的温度、应力等物理量的大小，根据这些原理便可研制出光导纤维传感器。
光纤传感器所用光纤与普通通讯用光纤基本相同，都由纤芯、包层和涂覆层组成。光纤纤芯的主要成分为二氧化硅，其中含有极微量的掺杂剂，一般为二氧化锗，用以提高纤芯的折射率，形成全内反射条件的弱导光纤将光限制在纤芯中。纤芯的直径在5～50μm之间，其中单模光纤为9μm，多模光纤为50μm。包层主要成分也为二氧化硅，直径为125μm。涂覆层一般为环氧树脂、硅橡胶等高分子材料，外径为250μm，用于增强光纤的柔韧型、机械强度和耐老化特性。而有些类型的光纤传感器由于使用的场合不同需要对普通光纤做些加工处理，使其对特定的信号更加敏感。
光纤传感器按照是否对所测量的信号进行调制一般可分为两类：非本征型和本征型。非本征型光纤传感器中的光纤，只起信号传输作用，由另外的探测装置对载波光进行调制获取信号，检测原理及所能测量的信号比较简单 。因为非本征型光纤传感器中的光纤只起信号传输作用，与普通传感器中的导线作用相当，因而还不能称为严格意义上的光纤传感器。本征型光纤传感器不仅传输信号，也起传感作用，即通过光纤自身的光敏效应、光弹效应、双折射效应、法拉第效应、荧光效应等把待测量调制为光的强度、相位、偏振或者波长的变化。本征型光纤传感器又称为功能型光纤传感器或内调制型光纤传感器、全光纤传感器。通常所说的光纤传感器均指本征型光纤传感器。光纤传感器按照测量的空间分布情况可以分为点传感器、准分布式传感器和分布式传感器。其中后两种传感器是光纤传感器所特有的功能，既能够在用一根光纤测量结构上空间多点或者无限多自由度的参数分布，这可以说是传感器技术的根本变革。
激光器发出的光在传感区域受环境信号的调制后经耦合器进入光探测器，解调后而得出环境信号。若为透射式，则光探测器置于传感光纤的末端。但一般传感部分都需经过特别处理以便使光纤只对一种或者几种感兴趣的信号敏感，例如光纤微弯应变传感器通过齿形槽或者两根光纤绞绕使传感光纤部分有一个预变形使其对应变敏感，而布拉格光栅光纤传感器则在传感光纤部分形成了一个或数个芯内体光栅使其对某一个或者几个特定波长的光敏感。因为光纤传感器的调制原理种类非常繁多，特定的传感器必须与相应的光源和解调设备一起使用，因此下文所说的光纤传感器均指光纤传感器系统。
光纤传感器与传统传感器相比有许多优点：
（1）质量轻、体积小。普通光纤外径为250μm，细的传感光纤直径仅为35-40μm，可在结构表面安装或者埋入结构体内部，对被测结构的影响小，测量的结果是结构参数更加真实的反映。埋入安装时可检测传统传感器很难或者根本无法监测的信号，如：复合材料或者混凝土的内部应力或者温度场分布、电力变压器的绝缘检测、山体滑坡的监测等。
（2）灵敏度高。光纤传感器采用光测量的技术手段，一般为微米量级。采用波长调制技术，分辨率可达到波长尺度的纳米量级。
（3）耐腐蚀。由于光纤表面的涂覆层是由高分子材料做成，耐环境或者结构中酸碱等化学成分腐蚀的能力强，适合于智能结构的长期健康监测。
（4）抗电磁干扰。当光信息在光纤中传输时,它不会与电磁场产生作用，因而信息在传输过程中抗电磁干扰能力很强。
（5）传输频带较宽。通常系统的调制带宽为载波频率的百分之几，光波的频率较传统的位于射频段或者微波段的频率高几个数量级，因而其带宽有巨大的提高。便于实现时分或者频分多路复用，可进行大容量信息的实时测量，使大型结构的健康监测成为可能。
（6）分布或者准分布式测量，能够用一根光纤测量结构上空间多点或者无限多自由度的参数分布，是传统的机械类、电子类、微电子类等分立型器件无法实现的功能，是传器技术的新发展。
（7）使用期限内维护费用低。
总体来看，光纤传感器的研究与应用美国和日本处于地位，欧洲紧随其后。美国偏重于军事应用，主要是应变光纤传感器和抗恶劣环境的特种光纤传感器，日本偏重于民用，而欧洲则开展了领域广泛的光纤传感器研究与应用。
光纤光栅传感器
光纤光栅(Fiber Bragg Grating)传感器属于波长调制型非线性作用的光纤传感器 。Bragg这个名字起源于X射线结晶学的先驱Bragg父子，他们发现准单色射线源从某一个特定角度入射晶体中，所有的反射光集中到一个特定的方向上，在光纤光栅中也有类似的效果。通过待测量调制入射光束的波长，测量反射光的波长变化进行检测。由于波长是一个绝对参数，不受总体光强水平、连接光纤及耦合器处的损耗或光源能量的影响，因此比其他光调制方式更加稳定。光纤光栅传感器是在光纤的一段范围内沿光纤轴向使纤芯折射率发生周期性变化而形成的芯内体光栅，是一种准分布式传感器。
光纤光栅是将通信用光纤的一部分利用掺锗光纤非线性吸收效应的紫外全息曝光法而制成的一种称为Bragg Grating的纤芯折射率周期性变化光栅。通常的光会全部穿过此Bragg Grating而不受影响，只有特定波长的光（波长为）在布拉格光栅处反射后会再返回到原来的方向。 在布拉格光栅处施加外力，光栅的间隔产生变化后，反射回来的光的波长也会相应发生变化。Bragg 波长同时受布拉格光栅周期和纤芯有效折射率扰动的影响，因而通过监测布拉格波长的变化即可测出应力和温度扰动。
1978年，Hill等人发现了光纤的光敏性，制作出世界上第一支光纤布拉格光栅(FBG)，于1989年采用横向侧面曝光技术制作光纤光栅，光纤光栅技术引起了人们的重视。之后各种新的制作方法和各种新型光纤光栅相继被提出，例如：啁啾光栅(CFG)和长周期光纤光栅(LPG)等。随着光纤光栅制造技术的不断完善，应用成果的日益增多，使得光纤光栅成为目前发展前途、具有代表性的光纤无源器件之一。光纤光栅的应用大大提高了光纤器件的性能，在光纤通信和光纤传感领域有着广泛的应用前景。由于光纤光栅的出现，使许多复杂的全光纤通信和传感网成为可能，极大地拓宽了光纤技术的应用范围。
在光纤通信方面，光纤光栅为光纤激光器、波分复用器、光放大器、色散补偿器、波长变换器、光分插复用器和光交叉互连等关键部件提供了很好的解决方案。例如，利用光纤光栅的窄带高反射率特性构成光纤反馈腔，依靠掺铒光纤等为增益介质即可制成光纤激光器，用光纤光栅作为激光二极管的外腔反射器，可以构成外腔可调谐激光二极管；利用光纤光栅可构成：Michelson干涉型、Mach-Zehnder干涉型和Fabry-Perot干涉型的光纤滤波器；利用非均匀光纤光栅滤波器可以制作成光纤色散补偿器。
在光纤传感方面，光纤光栅为光纤传感技术开辟了一个新的应用研究领域，可以制作应力和温度等参量的光纤光栅传感器和传感网络。目前，已报道的光纤光栅传感器可以检测的物理量有：温度、应变、压力、位移、压强、扭角、扭矩(扭应力) 、加速度、电流、电压、磁场、频率、浓度、热膨胀系数、振动等，其中，一部分光纤光栅传感系统已经实际应用。
光纤光栅传感器除具有光纤传感器的所有优点之外，还具有其独特的优点：
1. 传感头结构简单、体积小、重量轻、外形可变，适合埋入大型结构中，可测量结构内部的应力、应变及结构损伤等，稳定性、重复性好；
2. 与光纤之间存在天然的兼容性，易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高；
3. 具有非传导性，对被测介质影响小，又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点，适合在恶劣环境中工作；
4. 轻巧柔软，可以在一根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复用和时分复用系统相结合，实现分布式传感；
5. 测量信息是波长编码的，所以，光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接及耦合损耗、以及光波偏振态的变化等因素的影响，有较强的抗干扰能力;
6. 高灵敏度、高分辩力。
正是由于具有这么多的优点，近年来，光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康监测，以及能源化工等领域得到了广泛的应用。近几年对波长解调技术的深入研究和不断成熟，已经扩大了光纤光栅传感器的应用，并为智能传感这一新思路创造了的一个新的机遇。智能结构监测，智能油井和管道，智能土木工程建筑，以及智能航空、航海传感都需要高质量、低成本、稳定性好、传感特性精密的光学传感器，光纤光栅传感器阵列由于其波长编码、可同时测量多个物理量（温度、应力、压力等）以及一路光纤上应用波分复用技术等自身的优点在上述领域已经得到了广泛关注。世界著名的油田设备服务商Schlumberger和Weather Ford，在过去的时间里，分别投资超过一个亿美元购买光纤光栅传感器技术，广泛应用于陆地油井和海上石油平台监控。同时，美国国家宇航局专门立项用此传感器对飞行器材料和结构进行优化。美国海军用此传感器进行对舰船潜艇结构进行监控，并在此基础上研究开发超灵敏的光纤光栅的声纳系统。
目前国际国内都在为光纤光栅传感器的发展而努力，国际上已经基本实现了光纤光栅传感器的产业化和工程化，如MOI、CiDRA、Weatherford等，国内主要光纤传感器技术公司如基康仪器、聚华科技、武汉理工等企业已经实现了由实验室向产品过渡的阶段。
关于聚华科技
杭州聚华光电科技有限公司是一家基于物联网光纤传感器技术从事土木工程结构健康监测与预警管理的高新技术企业，聚华是光纤光栅传感器产品提供商和土木工程结构健康监测一站式解决方案优质合作伙伴。公司专注于桥梁、隧道、边坡、基坑、地铁、矿山、电力等土木工程领域的结构健康监测相关产品的研发、生产、推广与应用，以提供野外光纤传感器自动化监测产品、工程结构安全监测一站式解决方案见长。主要以光纤光栅传感器技术、分布式光纤测温技术、工程安全自动化云计算软件、工程化专业领域数据分析为技术核心。www.cavono.com
光纤智能健康监测系统主要由以下三部分构成：光纤传感器系统，信号传输与采集系统，数据处理与监测系统。
其中光纤传感器系统包括光纤传感器的选型，选择具体的调制方式和符合性能要求的光纤传感器，然后需考虑光纤传感器的拓扑方式，要考虑传感器的安装是外表粘贴式还是内部埋入式。
信号传输与采集系统包括光纤传感器的校正、采样模块以及海量实时数据的存储结构和方式。
数据处理与监测部分是健康监测系统的核心部分，包括大量数据的有效性分析、结构健康性能指标的参数选择、结构运行状态的可视化系统以及相应的灾害提前预警功能等。
光纤智能健康监测系统的各部分之间是相互联系、缺一不可的，每一部分都是整个系统的有机组成部分。由于目前光纤传感器的标准化程度还不高，不同类型的传感器一般都需要特定的解码系统，因而一旦传感器确定后，相应的信号采集与处理系统也便随之而定。所以光纤传感器的优化布置方法和实时信号的分析监测便成为光纤智能健康监测系统应用的关键问题。
进行监测时，光纤传感器测量到的结构实时状态信号经过信号传输与采集系统送到监测中心，进行相应的处理和判断，从而对结构的健康状态进行评估。若监测到的关键健康参数超过设定的阀值，则通过即时信息(SMS)、E-mail等方式及时通知相关的管理机构，以便采取相应的应急措施，以避免造成重大的人员和财产的损失。
光纤传感器
光导纤维的应用是传感器领域的重大突破，起源于光纤通信技术。在光通信利用中发现当温度、应力等环境条件变化时，引起光纤传输的光波强度、相位、频率、偏振态等变化，测量光波量的变化，就可知道导致这些变化产生的温度、应力等物理量的大小，根据这些原理便可研制出光导纤维传感器。
光纤传感器所用光纤与普通通讯用光纤基本相同，都由纤芯、包层和涂覆层组成。光纤纤芯的主要成分为二氧化硅，其中含有极微量的掺杂剂，一般为二氧化锗，用以提高纤芯的折射率，形成全内反射条件的弱导光纤将光限制在纤芯中。纤芯的直径在5～50μm之间，其中单模光纤为9μm，多模光纤为50μm。包层主要成分也为二氧化硅，直径为125μm。涂覆层一般为环氧树脂、硅橡胶等高分子材料，外径为250μm，用于增强光纤的柔韧型、机械强度和耐老化特性。而有些类型的光纤传感器由于使用的场合不同需要对普通光纤做些加工处理，使其对特定的信号更加敏感。
光纤传感器按照是否对所测量的信号进行调制一般可分为两类：非本征型和本征型。非本征型光纤传感器中的光纤，只起信号传输作用，由另外的探测装置对载波光进行调制获取信号，检测原理及所能测量的信号比较简单 。因为非本征型光纤传感器中的光纤只起信号传输作用，与普通传感器中的导线作用相当，因而还不能称为严格意义上的光纤传感器。本征型光纤传感器不仅传输信号，也起传感作用，即通过光纤自身的光敏效应、光弹效应、双折射效应、法拉第效应、荧光效应等把待测量调制为光的强度、相位、偏振或者波长的变化。本征型光纤传感器又称为功能型光纤传感器或内调制型光纤传感器、全光纤传感器。通常所说的光纤传感器均指本征型光纤传感器。光纤传感器按照测量的空间分布情况可以分为点传感器、准分布式传感器和分布式传感器。其中后两种传感器是光纤传感器所特有的功能，既能够在用一根光纤测量结构上空间多点或者无限多自由度的参数分布，这可以说是传感器技术的根本变革。
激光器发出的光在传感区域受环境信号的调制后经耦合器进入光探测器，解调后而得出环境信号。若为透射式，则光探测器置于传感光纤的末端。但一般传感部分都需经过特别处理以便使光纤只对一种或者几种感兴趣的信号敏感，例如光纤微弯应变传感器通过齿形槽或者两根光纤绞绕使传感光纤部分有一个预变形使其对应变敏感，而布拉格光栅光纤传感器则在传感光纤部分形成了一个或数个芯内体光栅使其对某一个或者几个特定波长的光敏感。因为光纤传感器的调制原理种类非常繁多，特定的传感器必须与相应的光源和解调设备一起使用，因此下文所说的光纤传感器均指光纤传感器系统。
光纤传感器与传统传感器相比有许多优点：
（1）质量轻、体积小。普通光纤外径为250μm，细的传感光纤直径仅为35-40μm，可在结构表面安装或者埋入结构体内部，对被测结构的影响小，测量的结果是结构参数更加真实的反映。埋入安装时可检测传统传感器很难或者根本无法监测的信号，如：复合材料或者混凝土的内部应力或者温度场分布、电力变压器的绝缘检测、山体滑坡的监测等。
（2）灵敏度高。光纤传感器采用光测量的技术手段，一般为微米量级。采用波长调制技术，分辨率可达到波长尺度的纳米量级。
（3）耐腐蚀。由于光纤表面的涂覆层是由高分子材料做成，耐环境或者结构中酸碱等化学成分腐蚀的能力强，适合于智能结构的长期健康监测。
（4）抗电磁干扰。当光信息在光纤中传输时,它不会与电磁场产生作用，因而信息在传输过程中抗电磁干扰能力很强。
（5）传输频带较宽。通常系统的调制带宽为载波频率的百分之几，光波的频率较传统的位于射频段或者微波段的频率高几个数量级，因而其带宽有巨大的提高。便于实现时分或者频分多路复用，可进行大容量信息的实时测量，使大型结构的健康监测成为可能。
（6）分布或者准分布式测量，能够用一根光纤测量结构上空间多点或者无限多自由度的参数分布，是传统的机械类、电子类、微电子类等分立型器件无法实现的功能，是传器技术的新发展。
（7）使用期限内维护费用低。
总体来看，光纤传感器的研究与应用美国和日本处于地位，欧洲紧随其后。美国偏重于军事应用，主要是应变光纤传感器和抗恶劣环境的特种光纤传感器，日本偏重于民用，而欧洲则开展了领域广泛的光纤传感器研究与应用。
光纤光栅传感器
光纤光栅(Fiber Bragg Grating)传感器属于波长调制型非线性作用的光纤传感器 。Bragg这个名字起源于X射线结晶学的先驱Bragg父子，他们发现准单色射线源从某一个特定角度入射晶体中，所有的反射光集中到一个特定的方向上，在光纤光栅中也有类似的效果。通过待测量调制入射光束的波长，测量反射光的波长变化进行检测。由于波长是一个绝对参数，不受总体光强水平、连接光纤及耦合器处的损耗或光源能量的影响，因此比其他光调制方式更加稳定。光纤光栅传感器是在光纤的一段范围内沿光纤轴向使纤芯折射率发生周期性变化而形成的芯内体光栅，是一种准分布式传感器。
光纤光栅是将通信用光纤的一部分利用掺锗光纤非线性吸收效应的紫外全息曝光法而制成的一种称为Bragg Grating的纤芯折射率周期性变化光栅。通常的光会全部穿过此Bragg Grating而不受影响，只有特定波长的光（波长为）在布拉格光栅处反射后会再返回到原来的方向。 在布拉格光栅处施加外力，光栅的间隔产生变化后，反射回来的光的波长也会相应发生变化。Bragg 波长同时受布拉格光栅周期和纤芯有效折射率扰动的影响，因而通过监测布拉格波长的变化即可测出应力和温度扰动。
1978年，Hill等人发现了光纤的光敏性，制作出世界上第一支光纤布拉格光栅(FBG)，于1989年采用横向侧面曝光技术制作光纤光栅，光纤光栅技术引起了人们的重视。之后各种新的制作方法和各种新型光纤光栅相继被提出，例如：啁啾光栅(CFG)和长周期光纤光栅(LPG)等。随着光纤光栅制造技术的不断完善，应用成果的日益增多，使得光纤光栅成为目前发展前途、具有代表性的光纤无源器件之一。光纤光栅的应用大大提高了光纤器件的性能，在光纤通信和光纤传感领域有着广泛的应用前景。由于光纤光栅的出现，使许多复杂的全光纤通信和传感网成为可能，极大地拓宽了光纤技术的应用范围。
在光纤通信方面，光纤光栅为光纤激光器、波分复用器、光放大器、色散补偿器、波长变换器、光分插复用器和光交叉互连等关键部件提供了很好的解决方案。例如，利用光纤光栅的窄带高反射率特性构成光纤反馈腔，依靠掺铒光纤等为增益介质即可制成光纤激光器，用光纤光栅作为激光二极管的外腔反射器，可以构成外腔可调谐激光二极管；利用光纤光栅可构成：Michelson干涉型、Mach-Zehnder干涉型和Fabry-Perot干涉型的光纤滤波器；利用非均匀光纤光栅滤波器可以制作成光纤色散补偿器。
在光纤传感方面，光纤光栅为光纤传感技术开辟了一个新的应用研究领域，可以制作应力和温度等参量的光纤光栅传感器和传感网络。目前，已报道的光纤光栅传感器可以检测的物理量有：温度、应变、压力、位移、压强、扭角、扭矩(扭应力) 、加速度、电流、电压、磁场、频率、浓度、热膨胀系数、振动等，其中，一部分光纤光栅传感系统已经实际应用。
光纤光栅传感器除具有光纤传感器的所有优点之外，还具有其独特的优点：
1. 传感头结构简单、体积小、重量轻、外形可变，适合埋入大型结构中，可测量结构内部的应力、应变及结构损伤等，稳定性、重复性好；
2. 与光纤之间存在天然的兼容性，易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高；
3. 具有非传导性，对被测介质影响小，又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点，适合在恶劣环境中工作；
4. 轻巧柔软，可以在一根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复用和时分复用系统相结合，实现分布式传感；
5. 测量信息是波长编码的，所以，光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接及耦合损耗、以及光波偏振态的变化等因素的影响，有较强的抗干扰能力;
6. 高灵敏度、高分辩力。
正是由于具有这么多的优点，近年来，光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康监测，以及能源化工等领域得到了广泛的应用。近几年对波长解调技术的深入研究和不断成熟，已经扩大了光纤光栅传感器的应用，并为智能传感这一新思路创造了的一个新的机遇。智能结构监测，智能油井和管道，智能土木工程建筑，以及智能航空、航海传感都需要高质量、低成本、稳定性好、传感特性精密的光学传感器，光纤光栅传感器阵列由于其波长编码、可同时测量多个物理量（温度、应力、压力等）以及一路光纤上应用波分复用技术等自身的优点在上述领域已经得到了广泛关注。世界著名的油田设备服务商Schlumberger和Weather Ford，在过去的时间里，分别投资超过一个亿美元购买光纤光栅传感器技术，广泛应用于陆地油井和海上石油平台监控。同时，美国国家宇航局专门立项用此传感器对飞行器材料和结构进行优化。美国海军用此传感器进行对舰船潜艇结构进行监控，并在此基础上研究开发超灵敏的光纤光栅的声纳系统。
目前国际国内都在为光纤光栅传感器的发展而努力，国际上已经基本实现了光纤光栅传感器的产业化和工程化，如MOI、CiDRA、Weatherford等，国内主要光纤传感器技术公司如基康仪器、聚华科技、武汉理工等企业已经实现了由实验室向产品过渡的阶段。
关于聚华科技
杭州聚华光电科技有限公司是一家基于物联网光纤传感器技术从事土木工程结构健康监测与预警管理的高新技术企业，聚华是光纤光栅传感器产品提供商和土木工程结构健康监测一站式解决方案优质合作伙伴。公司专注于桥梁、隧道、边坡、基坑、地铁、矿山、电力等土木工程领域的结构健康监测相关产品的研发、生产、推广与应用，以提供野外光纤传感器自动化监测产品、工程结构安全监测一站式解决方案见长。主要以光纤光栅传感器技术、分布式光纤测温技术、工程安全自动化云计算软件、工程化专业领域数据分析为技术核心。www.cavono.com