摘要：智能制造是制造領域的最新發展方向，它是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化智能系統，具備感知、決策、執行、學習、互聯等特征，是先進制造技術、信息技術和人工智能技術的集成和深度融合，其中新型傳感技術是實現智能的基礎。新型傳感技術為產品進化設計、制造工藝優化、產品質量和裝備運行狀態監測及裝備預測性維護等提供可靠的數據來源，在智能制造中具有基礎性的重要地位。回顧光纖傳感這一新型傳感技術局在離散制造、流程制造、重大和高端裝備中的應用現狀，分析光纖傳感技術的特點和在制造領域的優勢、光纖傳感對推動智能制造的作用，以及光纖光柵傳感技術和數字孿生的關系等。在此基礎上，重點提出光纖傳感技術在制造領域應用中存在的一系列科學問題以及光纖傳感的應用原則，指出光纖傳感技術將朝著標準化、智能化、網絡化等方向發展，同時指出，在今后相當一段時間，光纖傳感基礎器件研究、面向極端制造環境和高端裝備的應用研究以及精準化、微小型化、集成化和CPS融合等的研究乃是光纖傳感技術在制造領域研究的主流。

　　關鍵詞：光纖傳感;智能制造;封裝結構;數字孿生;應用原則

　　0前言制造業是國民經濟和國家安全的支柱，許多國家特別是工業發達國家對制造業的地位越來越重視。美國于2018年提出了“美國先進制造領先戰略”，對于智能制造系統的未來，強調傳感和異常校正技術對保證產品一致性、質量及可追溯性的重要性[1]。德國于2011年提出了“工業4.0”戰略，將智能工廠、預測性維護、3D打印、智能傳感器等作為第四次工業革命的技術發展趨勢。我國也于2015年提出了“中國制造2025”戰略，突破新型傳感器，研發具有深度感知功能的智能制造裝備以及智能化生產線，推進信息化與工業化深度融合是其重要戰略任務之一。

　　通信評職知識：光纖通信論文文獻

　　在上述戰略中，數據是智能制造的基石，而傳感技術為產品設計、制造和維護提供數據驅動[2]。由此可見，傳感技術在智能制造中具有基礎性的重要地位。大型機械裝備是制造業中的關鍵設備，其結構復雜，多數工作在高溫、高壓和重載等極端環境下。隨著科學技術的發展，對多參數、大容量、分布式、實時在線檢測的要求越來越突出，特別是對于大型機械，由于其結構的復雜性和在高溫、高壓、高速狀態下運行，使得其運行狀態存在多變性、耦合性和非線性，采用常規的電測技術很難，甚至根本不能滿足多參數、大容量、分布式、實時在線檢測的要求[3]。

　　此外，制造過程的工藝狀態參數眾多，各工藝參數對產品的質量至關重要，為了優化工藝參數和實現產品質量追溯，工藝狀態感知十分重要，但大規模的工藝參數感知同樣對檢測技術提出了多參數、大容量、分布式、實時在線檢測的要求。對此，國內外不少研究機構和學者都在積極地探索新的適用于多參數、大容量、分布式、實時在線檢測的新理論與新技術。近年來，傳感技術的研究和開發，得到制造領域越來越高度的重視。

　　一些新型傳感器和成果技術不斷產生，其中光纖傳感技術這幾年來得到了快速的發展，為機械系統運行狀態和產品質量監測與故障診斷提供了一種新的原理和方法。尤其是對于運行環境惡劣、工況與結構復雜的高端機械裝備，光纖傳感體現了巨大的優勢。光纖光柵(Fibrebragggratings，FBGs)傳感器是一種尺寸小、電隔離、抗電磁干擾、高精度、高穩定性和具有良好環境適應性的傳感器，可以實現多種物理量的大容量、分布式動態檢測。在特種光纖或微結構光纖上在線連續 寫入光柵，可形成連續的超弱光柵陣列，通過超大容量的波分/時分復用多波長在線光柵陣列的解調，可以實現成千上萬個光柵的復用[4]。從而可實現“無源多場、一線多點”的機械系統運行狀態的實時測量。

　　另外，光纖光柵有效克服了當前電學類傳感器在耐溫性、長期穩定性、耐久性、安全性、分布傳感等方面存在的不足，還可通過非接觸式方式傳輸光信號。光纖光柵對溫度和應變敏感，經過封裝可以制成多類傳感器。在制造領域，光纖光柵傳感器既可以用于制造裝備運行狀態監測和工藝狀態監測，也可用于制造產品運行狀態的健康監測。因此近年來光纖光柵傳感技術被廣泛用于制造業許多領域[5]。本文通過WebofScience中搜索標題包含“fibrebragggrating”或“FBG”，并且摘要包含“manufacturing”的文獻(截止時間2019年12月31日)，然后排除無關文獻，剩余1275篇文獻。

　　文獻的時間跨度從1994年至2019年，文獻數量總體上呈逐年遞增的趨勢，并且近10年的相關文獻占總量的64.3%，說明當前對制造領域中的光纖傳感技術的研究越來越深入。在1275篇文獻中，754篇文獻發表在期刊上，發表文獻數量前5位的期刊是《IEEEPhotonicsTechnologyLetters》，《JournalofLightwaveTechnology》，《OpticsLetters，OpticsCommunications》和《IEEESensorsJournal》。從文獻分布的國家和地區來看，相關文獻來自58個國家和地區，主要包括中國、美國、加拿大、英國、澳大利亞、德國、日本、意大利、西班牙和法國等國家，其中，中國、美國、加拿大依次位列前3位，表明我國在制造領域中的光纖傳感技術研究處于國際領先地位。制造業涉及國計民生的眾多領域。當前，光纖光柵在制造業中應用廣泛，包括機械加工裝備、航空航天器、化工等。本文重點對離散和連續制造中的典型裝備，以及重大和高端機械產品的光纖傳感檢測及其應用的問題進行分析。

　　1光纖傳感在制造領域的國內外研究現狀

　　1.1光纖傳感在離散制造中的研究現狀

　　數控機床是離散制造業的重要裝備，其加工精度直接影響零件的質量和產品的性能。數控機床加工精度的影響因素包括運動學誤差、熱誤差、切削力誤差、伺服誤差和刀具磨損等[6]。機床的運動學誤差和熱誤差是數控機床加工精度的最大影響因素，其中，熱誤差可達機床總誤差的40%～70%[7]，尤其對于重型數控機床，由環境溫度等引起的結構熱誤差往往占機床總誤差的份額較高。影響機床零部件熱變形的熱能主要來源是環境溫度、冷卻液、切削生熱、電機電阻生熱、機床零部件之間的摩擦生熱等，產生熱變形的主要零部件是主軸、滾珠絲桿和機床結構件等。熱誤差補償的基本前提是測量機床熱變形部件的溫度場和形變，建立機床的熱誤差模型[8]，從而在機床工作過程中對其熱誤差進行準確監測、預報和補償。

　　1.1.1數控機床溫度場監測

　　測量機床溫度場的方法可以分為接觸式和非接觸式兩類。非接觸式測量方法主要是采用紅外熱成像的方法獲取機床零部件的表面溫度，其測量面積大，但對于重型數控機床，需要多臺紅外熱成像儀，成本高昂，而且難以跟蹤測量機床旋轉部件的溫度場。接觸式溫度傳感器是當前使用最普遍的機床表面溫度傳感器，其基本原理是基于熱敏電阻和熱電偶，具有工藝性好、價格低的優點。然而，所有傳統傳感器在機床表面溫度監測中還存在以下不足[9]。

　　(1)環境適應性差：數控機床工作環境中存在油液、冷卻液、切削屑等，其容易造成熱敏電阻和熱電偶的腐蝕或損壞。(2)抗干擾能力差：重型機床上電機和電柜工作時產生強電磁場，容易對熱敏電阻和熱電偶的工作產生干擾，造成數據噪聲大，并降低數據的可靠性。(3)重型數控機床的熱誤差分析需要建立在大量溫度監測數據的基礎上，需要幾十乃至幾百個溫度測點，每個熱敏電阻和熱電偶需要兩條導線，造成引線多，難以大量部署。

　　2光纖傳感的特點及在制造領域應用的優勢

　　2.1光纖光柵傳感原理

　　光纖光柵是通過紫外曝光技術在經過載氫增敏的光纖芯內形成折射率周期性分布結構。當帶寬光入射光到光纖光柵時，折射率周期性結構會反射回特定波長的窄帶光，反射光中心波長滿足Bragg反射條件。

　　3光纖傳感對智能制造的推動作用

　　感知數據為產品的全生命周期提供數據支撐，感知的準確度直接決定了產品的加工質量、裝備故障診斷和預測的準確性，因此，精準的智能感知是智能制造的基礎。光纖傳感技術對智能制造的推動作用主要體現在形成智能材料、實現精準感知、構建傳感網絡和形成智能閉環等方面。

　　4光纖傳感與數字孿生的關系

　　數字孿生是智能制造的核心內容之一，它是利用物理模型、傳感器感知，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，實現虛實空間的精準映射，保證數字孿生體總是準確反映物理實體的真實狀態，從而可以利用高保真度的數字孿生體提高產品設計、制造和維護水平[120]。在制造領域，產品、產線、車間、工廠都可擁有其對應的數字孿生模型。

　　其中，針對產品的數字孿生，可以建立其設計、制造、服役維護、回收階段等產品全生命周期不同階段的數字孿生模型[121]。數字孿生對于預測和優化產品性能、推進設計和制造高效協同、確保設計和制造準確執行等方面具有重要的作用。無論建立何種對象的數字孿生，關鍵的核心技術：①物理空間對象的多尺度、精準、實時感知;②數字空間模型的高精確度建模;③物理空間和虛擬空間的交互技術。其中，對物理空間對象的多尺度、精準、實時感知是數字空間與物理空間關聯共生、雙向映射，保證數字孿生體準確度的關鍵，也是數字孿生區別于傳統虛擬仿真的關鍵所在[122]。

　　5光纖傳感應用的科學問題和應用原則

　　5.1光纖傳感應用的科學問題

　　雖然國內外學者長期以來在光纖光柵傳感器封裝和應用上開展了大量的研究，但在光纖傳感器在惡劣環境下的性能、傳感器數據處理和應用等方面還有存在一定的不足。(1)在傳感器性能方面：光纖光柵會隨著時間衰退，在高溫環境下更是如此，光柵的衰退會造成光柵中心波長偏移，影響傳感器的長期穩定性。光纖光柵通常需要通過一定的封裝將其用于其他物理量的測量，封裝材料的性能退化也會影響光纖光柵傳感的性能，特別是在高溫、高壓、腐蝕環境下，封裝材料的性能更容易產生退化。此外，光纖光柵振動傳感器的響應頻率與傳統的壓電類振動傳感器還存在一定的差距。

　　當前的研究對上述問題還缺乏有效的解決途徑，對光纖光柵傳感器的應用形成了制約。(2)在傳感數據處理方面：當前針對重型機床、飛機等大型復雜機械的狀態監測系統側重于狀態參數的獲取，對監測數據的處理關注較少。然而，大型復雜機械結構大，其狀態參數多、數據量大，對數據處理的實時性提出了很高的要求，而且狀態參數之間可能存在相互耦合，這對數據解耦帶來了極大的挑戰。

　　6光纖傳感的發展展望

　　本文概述了光纖傳感在制造領域的發展現狀、光纖傳感對推動智能制造的作用、光纖傳感應用的科學問題和應用原則，以及光纖傳感與數字孿生的關系等。對比國內外的研究現狀可以看出，國外在光纖傳感方面的研究起步早，提出了光纖光柵、光子晶體光柵、EFPI-FBG復合傳感器等不同類型的光纖傳感原理，國內在光纖傳感器的應用方面開展了更為廣泛的研究，將光纖傳感的應用拓展到大型、高端裝備。在傳感器的性能指標方面，國外在光纖傳感器的耐低溫(可達−269℃)和耐高溫性能(可達1900℃)、基于金屬3D打印的光纖傳感器封裝等方面目前更具優勢，國內在光纖光柵振動傳感器的性能參數和測量維度方面更具優勢。

　　7結論

　　傳感技術為機械產品和裝備的設計、制造和維護等全生命周期不同階段中的優化和決策提供準確、可靠的數據，是智能制造的基石。光纖傳感以不受電磁干擾、穩定可靠、體積小、多物理量分布式測量、容量大等無可比擬的優勢正得到越來越多的重視。大力發展光纖傳感技術，解決光纖傳感技術在制造領域應用的瓶頸，能夠滿足智能制造高可靠、高性能、大規模感知需求，為智能制造提供更為強大的驅動力。

　　本文在綜述了光纖傳感在離散制造、流程制造，以及重大和高端裝備的狀態監測和維護的國內外研究現狀的基礎上，分析和總結了光纖傳感的特點及其在制造領域應用的優勢，闡述了光纖傳感技術對智能制造在形成智能材料、構建傳感網絡、實現精準感知和形成智能閉環等方面的推動作用，總結了基于光纖光柵還存在從傳感的無源多場狀態智能感知新原理、特殊工況計算模擬的理論與方法，到多傳感器數據傳輸、處理和數據融合的理論與算法等一系列有待解決的科學問題，并指出光纖傳感技術標準化、智能化、網絡化、集成化、基礎器件研發、極端制造環境感知是光纖傳感在制造領域的發展趨勢。

　　作者：周祖德1姚碧濤1譚躍剛1劉明堯1李天梁1魏勤