國內(nèi)外光纖傳感器的發(fā)展概況及市場解析

孫丞 李煒 張方 李慶鑫

摘 要：本文分析了國內(nèi)外光纖傳感器的發(fā)展概況及市場發(fā)展情況，促進(jìn)我國光纖傳感器在工程中廣泛應(yīng)用，促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：光纖傳感器;國內(nèi)外;發(fā)展概況;市場情況

0 引言

在70年代開始廣泛發(fā)展光纖傳感器，電磁場不會影響到光纖傳感器的工作，同時光纖傳感器具有耐腐蝕和較高的靈敏度，可以在極端惡劣場合中用光纖傳感器，因此光纖傳感器發(fā)展速度比較快，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中發(fā)揮著重要的作用，同時應(yīng)用前景也比較顯著。本文分析了國內(nèi)外光纖傳感器的發(fā)展概況和市場情況，提出針對性的發(fā)展對策，在國民經(jīng)濟(jì)中充分發(fā)揮出光纖傳感器的作用。

1 概述光纖傳感器

1.1 基本構(gòu)成和工作原理

光纖傳感器可以轉(zhuǎn)變被測量的狀態(tài)為光信號，主要包括發(fā)送器和光通路以及敏感元件等部分。發(fā)送器向敏感元件發(fā)出光經(jīng)源光纖，通過調(diào)制光的某一性質(zhì)，向光接收器耦合光纖，轉(zhuǎn)化光信號為電信號，經(jīng)過信號處理之后，可以確定被測量。光纖傳感器的光纖主要包括纖芯和包層以及涂敷層等，纖芯和包層的折射率具有很大的不同，導(dǎo)光能力會影響光纖。涂敷層和護(hù)套可以保護(hù)光纖，同時光纖可以引導(dǎo)光沿著軸線方向傳播，可以同時落實感應(yīng)和傳輸?shù)裙δ躘1]。

1.2 類型和特點

光纖傳感器類型比較豐富，根據(jù)光纖傳感器的作用可以劃分為功能型和非功能型以及拾光型三種類型。功能型光纖傳感器利用光纖特性，通過調(diào)制光纖內(nèi)傳輸?shù)墓猓淖児獾膹姸群皖l率以及偏振態(tài)等特性，再解調(diào)被調(diào)制過的信號，因此確定被測信號。功能型光纖傳感器的光纖屬于敏感元件，結(jié)構(gòu)具有較高的靈敏度。因此通過加長光纖長度，可以提高靈敏度。制造這類傳感器具有較大的技術(shù)難度，需要利用特殊光纖，工作成本比較高，整體結(jié)構(gòu)也非?？?，調(diào)整工作具有較大的難度。

非功能型光纖傳感器利用利用敏感元件感受被測量，光纖負(fù)責(zé)傳輸信息。將光學(xué)材料和敏感元件放置在光纖端面，確定被測物理量的實際變化，主要是檢測透射光和反射光強度帶來的變化。非功能型光纖傳感器具有簡單的結(jié)構(gòu)，同時需要利用特殊光纖和特殊技術(shù)，因此應(yīng)用成本比較低，靈敏度和測量精度比較低[2]。

拾光型光纖傳感器的探頭是光纖，可以接收輻射光和反射光以及散射光等，經(jīng)常應(yīng)用的光纖激光多普勒速度計和輻射式光纖溫度傳感器等。

2 概述光纖傳感器國內(nèi)外發(fā)展概況

2.1 外國發(fā)展概況

光纖傳感器的市場十分廣闊，各個國家都非常重視光纖傳感器的發(fā)展，光纖傳感器的競爭也非常激烈。美國最先研究光纖傳感器，發(fā)展水平也最高。在軍用發(fā)展中利用光纖傳感器，不僅研制了光纖聲光傳感器，可以在水下探測中利用光纖傳感器，同時對比傳統(tǒng)聲納，光纖傳感器具有較高的靈敏度，而且美國在航空發(fā)動機(jī)監(jiān)測過程中也開始利用光纖傳感器，并且研制出各方面的光纖傳感器。美國還將光纖傳感器應(yīng)用在光纖陀螺和核輻射監(jiān)測領(lǐng)域，應(yīng)用水平不斷提升。美國不僅在軍事方面利用光纖傳感技術(shù)，在民用領(lǐng)域也開始利用光纖傳感器，可以利用光纖傳感器監(jiān)測電力系統(tǒng)各方面參數(shù)，同時在民用領(lǐng)域中，利用光纖傳感器可以監(jiān)測電流和磁場以及溫度。在90年代開始，美國光纖傳感器銷售總額已經(jīng)達(dá)到上億美元，并且年增長速度符非常快，當(dāng)前民用光纖傳感器產(chǎn)量已經(jīng)居于總產(chǎn)量的首位，此外在工業(yè)制造中國，光纖傳感器發(fā)展速度也非?？欤绹粩嗉哟罅Χ妊芯抗饫w傳網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[3]。

日本在80年代制定了光控制系統(tǒng)的發(fā)展計劃，開始在大型工廠中廣泛利用光纖傳感器，可以測量惡劣環(huán)境中的信息，有效控制生產(chǎn)過程。日本成立了各類研究機(jī)構(gòu)，不斷研發(fā)出各種民用光纖傳感器，其中波長掃描型光纖溫度傳感器最具代表性，并且建立了光纖傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以同時連接上千個傳感器，將光開關(guān)傳感器和能給傳感器安裝在各個信息源上，同時可以提供延時線，時序化處理工程不同場所的信息，利用全光方式手機(jī)各種信息，光纖傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以在煉油廠和化工廠中廣泛應(yīng)用，保障安全防爆效果。

西歐各國也不斷加大力度研究光纖傳感器，同時也不斷增加研究經(jīng)費。西歐各國的大型企業(yè)不斷加大力度研究開發(fā)光纖傳感器，提高了市場競爭力，這些公司不斷研制出各類光纖傳感器和光纖陀螺，可以高效測量壓力、溫度、速度等信息數(shù)據(jù)。

2.2 國內(nèi)發(fā)展概況

我國在70年代末開始研究光纖傳感器，發(fā)展到今天，已經(jīng)具有上百個單位開始研究光纖傳感器，大量研究光纖傳感器和壓力機(jī)以及流量計等領(lǐng)域，并且獲得顯著的研究成果，并且在實際生產(chǎn)過程中已經(jīng)開始投入應(yīng)用少量產(chǎn)品。例如在國內(nèi)有關(guān)單位已經(jīng)開始應(yīng)用武漢工業(yè)大學(xué)顏值的光纖液位計和點式光纖報警器等，應(yīng)用效果非常顯著。國內(nèi)外雖然一些單位從事研究光纖傳感器，但是很多產(chǎn)品處于研制階段，因為缺乏相應(yīng)的配套器件和加工技術(shù)等，無法實現(xiàn)批量生產(chǎn)，主要研究成果無法獲取經(jīng)濟(jì)效益，需要引起相關(guān)部門的重視[4]。

3 國內(nèi)外光纖傳感器市場解析

英國通過市場分析調(diào)查，確定光纖傳感器發(fā)展和光纖通訊發(fā)展具有密切的聯(lián)系。美國市場新情報公司經(jīng)過調(diào)查，認(rèn)為光纖傳感器發(fā)展速度不斷提高，全世界光纖傳感器銷售市場不斷擴(kuò)大，全世界光纖傳感器銷售額都不斷快速發(fā)展[5]。

我國光纖傳感器市場需求比較大，工業(yè)部門需要溫度光纖傳感器和液面光纖傳感器。例如在油罐生產(chǎn)工作過程中，為了保障油罐安全性，需要通過計量檢查工作。當(dāng)前很多部門利用人工計量方式，無法實現(xiàn)計量自動化管理，需要設(shè)置光纖傳感器系統(tǒng)。一些壓力容器缺乏安全可靠的檢測手段，也需要顏值生產(chǎn)光纖液位計，可以自動檢測壓力容器液位。在水工大壩安全監(jiān)測過程中也需要利用光纖傳感器，大型大壩需要利用數(shù)萬只傳感器，中型壩需要利用2～3千只光纖傳感器，小型壩也需要利用上百只的光纖傳感器。利用光纖傳感器可以保障大壩安全監(jiān)測效果，同時可以達(dá)到顯著的經(jīng)濟(jì)效益，還可以提升整體社會效益。

4 光纖傳感器的發(fā)展

4.1 干涉型光纖傳感器

如果環(huán)境介質(zhì)折射率發(fā)生比上年花，會改變傳感光纖的光波相位。通過調(diào)制光纖傳感器的相干光的相位，檢測段位可以確定外界環(huán)境變化對于結(jié)構(gòu)的影響，這也是干涉型光纖傳感器主要工作原理[6]。

4.2 光纖SPR傳感器

光纖表面等離子體共振傳感器主要是利用光纖的作用，激發(fā)SPR效應(yīng)基體。為了保證產(chǎn)生SPR效應(yīng)，需要將部分包層去除，將金屬薄膜鍍上纖芯表面。光在纖芯包層會出現(xiàn)全面發(fā)射，發(fā)生SPR效應(yīng)，結(jié)合傳輸損耗譜的峰值變化，可以確定待測樣品參數(shù)。通過傳導(dǎo)電子共振振蕩，建立共振條件。

4.3 光纖光柵傳感器

根據(jù)光纖柵周期，可以劃分光柵為光纖布拉格光柵和長周期光纖光柵。光纖布拉格光柵光譜主要是向前傳輸，這樣會耦合傳輸方向相反的模式。長周期光纖光柵的光譜需要耦合同向傳輸?shù)睦w芯基模和包層的高階模。

5 光纖傳感器的應(yīng)用

5.1 土木工程方面

在城市建設(shè)中，橋梁和大壩以等方面胡利用干涉陀螺儀和光柵壓力傳感器，可以保障信息化數(shù)據(jù)的傳輸效率，可以根據(jù)實際工作要求完善通訊建設(shè)，避免參建人員出現(xiàn)重復(fù)施工的問題，減少土木工程人力和物力等方面的損耗[7]。

5.2 電力系統(tǒng)方面

電力系統(tǒng)需要測定溫度參數(shù)和電流參數(shù)等，例如需要檢測電力系統(tǒng)高壓變壓器和大型電機(jī)的電子，檢測轉(zhuǎn)子內(nèi)部的溫度等，因為強電磁場很容易干擾到電類傳感器的工作，無法發(fā)揮出電類傳感器的作用，以此需要發(fā)揮光纖傳感器的作用。

5.3 生物醫(yī)學(xué)方面

射頻和微波不會感染到光纖傳感器，光纖傳感器同時具有很強的絕緣性，對于生物體光纖傳感器具有良好的親和性，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，在測量PH值和血液流速等方面，光纖傳感器發(fā)揮著重要的作用。利用光纖傳感器建立控制系統(tǒng)，可以監(jiān)控和采集數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信和圖形用戶界面等方面，利用光纖傳感器可以監(jiān)控管理整個工作過程。

5.4 工業(yè)生產(chǎn)方面

光纖傳感器具有良好的耐水性，因為各地地理環(huán)境和溫度具有較大的差異性，利用光纖傳感器和電功率傳感器可以建立陣列網(wǎng)格，可以分布式監(jiān)控錯綜復(fù)雜的線路，因此確定電力傳輸網(wǎng)絡(luò)的溫度和電壓以及電流等方面，提升電力傳輸工作的穩(wěn)定性，同時可以創(chuàng)設(shè)安全的工作環(huán)節(jié)。

5.5 光纖傳感器的行業(yè)應(yīng)用前景

光纖傳感器系統(tǒng)不斷發(fā)展，可以實現(xiàn)準(zhǔn)確定位，同時具有良好的隱蔽性和環(huán)境適應(yīng)性，因此在重要核心設(shè)施和區(qū)域安全監(jiān)測中廣泛利用光纖傳感器。在民用行業(yè)中光纖傳感器發(fā)揮著重要的作用，例如高速鐵路行業(yè)中不斷利用高科技技術(shù)手段，在高鐵安全監(jiān)測過程中，光纖傳感器發(fā)揮著重要的作用。

在軍事領(lǐng)域發(fā)展過程中，光纖傳感器發(fā)揮著顯著的作用，而海軍主要是利用海底定位分布式光纖水聽系統(tǒng)，在路基邊境遠(yuǎn)程監(jiān)測領(lǐng)域當(dāng)中廣泛利用光纖傳感器，因此在未來發(fā)展過程中，光纖傳感器技術(shù)未來發(fā)展具有顯著的可拓性。

6 結(jié)語

綜上所述，光纖傳感器具有抵抗電磁干擾能力，同時具有較高的靈敏性，同時可以實現(xiàn)多點遠(yuǎn)程監(jiān)控，在國民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)中都開始廣泛利用光纖傳感器，我國需要加大力度研究光纖傳感器，積極研究特殊光纖材料和器件，為光纖傳感器發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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