国内外光纤传感器的发展概况及市场解析

2020-06-29孙丞李炜张方李庆鑫

中国科技纵横 2020年4期

孙丞李炜张方李庆鑫

摘要：本文分析了国内外光纤传感器的发展概况及市场发展情况，促进我国光纤传感器在工程中广泛应用，促进我国经济发展。

关键词：光纤传感器;国内外;发展概况;市场情况

0 引言

在70年代开始广泛发展光纤传感器，电磁场不会影响到光纤传感器的工作，同时光纤传感器具有耐腐蚀和较高的灵敏度，可以在极端恶劣场合中用光纤传感器，因此光纤传感器发展速度比较快，在国民经济发展过程中发挥着重要的作用，同时应用前景也比较显著。本文分析了国内外光纤传感器的发展概况和市场情况，提出针对性的发展对策，在国民经济中充分发挥出光纤传感器的作用。

1 概述光纤传感器

1.1 基本构成和工作原理

光纤传感器可以转变被测量的状态为光信号，主要包括发送器和光通路以及敏感元件等部分。发送器向敏感元件发出光经源光纤，通过调制光的某一性质，向光接收器耦合光纤，转化光信号为电信号，经过信号处理之后，可以确定被测量。光纤传感器的光纤主要包括纤芯和包层以及涂敷层等，纤芯和包层的折射率具有很大的不同，导光能力会影响光纤。涂敷层和护套可以保护光纤，同时光纤可以引导光沿着轴线方向传播，可以同时落实感应和传输等功能[1]。

1.2 类型和特点

光纤传感器类型比较丰富，根据光纤传感器的作用可以划分为功能型和非功能型以及拾光型三种类型。功能型光纤传感器利用光纤特性，通过调制光纤内传输的光，改变光的强度和频率以及偏振态等特性，再解调被调制过的信号，因此确定被测信号。功能型光纤传感器的光纤属于敏感元件，结构具有较高的灵敏度。因此通过加长光纤长度，可以提高灵敏度。制造这类传感器具有较大的技术难度，需要利用特殊光纤，工作成本比较高，整体结构也非常快，调整工作具有较大的难度。

非功能型光纤传感器利用利用敏感元件感受被测量，光纤负责传输信息。将光学材料和敏感元件放置在光纤端面，确定被测物理量的实际变化，主要是检测透射光和反射光强度带来的变化。非功能型光纤传感器具有简单的结构，同时需要利用特殊光纤和特殊技术，因此应用成本比较低，灵敏度和测量精度比较低[2]。

拾光型光纤传感器的探头是光纤，可以接收辐射光和反射光以及散射光等，经常应用的光纤激光多普勒速度计和辐射式光纤温度传感器等。

2 概述光纤传感器国内外发展概况

2.1 外国发展概况

光纤传感器的市场十分广阔，各个国家都非常重视光纤传感器的发展，光纤传感器的竞争也非常激烈。美国最先研究光纤传感器，发展水平也最高。在军用发展中利用光纤传感器，不仅研制了光纤声光传感器，可以在水下探测中利用光纤传感器，同时对比传统声纳，光纤传感器具有较高的灵敏度，而且美国在航空发动机监测过程中也开始利用光纤传感器，并且研制出各方面的光纤传感器。美国还将光纤传感器应用在光纤陀螺和核辐射监测领域，应用水平不断提升。美国不仅在军事方面利用光纤传感技术，在民用领域也开始利用光纤传感器，可以利用光纤传感器监测电力系统各方面参数，同时在民用领域中，利用光纤传感器可以监测电流和磁场以及温度。在90年代开始，美国光纤传感器销售总额已经达到上亿美元，并且年增长速度符非常快，当前民用光纤传感器产量已经居于总产量的首位，此外在工业制造中国，光纤传感器发展速度也非常快，美国不断加大力度研究光纤传网络系统[3]。

日本在80年代制定了光控制系统的发展计划，开始在大型工厂中广泛利用光纤传感器，可以测量恶劣环境中的信息，有效控制生产过程。日本成立了各类研究机构，不断研发出各种民用光纤传感器，其中波长扫描型光纤温度传感器最具代表性，并且建立了光纤传感网络系统，可以同时连接上千个传感器，将光开关传感器和能给传感器安装在各个信息源上，同时可以提供延时线，时序化处理工程不同场所的信息，利用全光方式手机各种信息，光纤传感网络系统可以在炼油厂和化工厂中广泛应用，保障安全防爆效果。

西欧各国也不断加大力度研究光纤传感器，同时也不断增加研究经费。西欧各国的大型企业不断加大力度研究开发光纤传感器，提高了市场竞争力，这些公司不断研制出各类光纤传感器和光纤陀螺，可以高效测量压力、温度、速度等信息数据。

2.2 国内发展概况

我国在70年代末开始研究光纤传感器，发展到今天，已经具有上百个单位开始研究光纤传感器，大量研究光纤传感器和压力机以及流量计等领域，并且获得显著的研究成果，并且在实际生产过程中已经开始投入应用少量产品。例如在国内有关单位已经开始应用武汉工业大学颜值的光纤液位計和点式光纤报警器等，应用效果非常显著。国内外虽然一些单位从事研究光纤传感器，但是很多产品处于研制阶段，因为缺乏相应的配套器件和加工技术等，无法实现批量生产，主要研究成果无法获取经济效益，需要引起相关部门的重视[4]。

3 国内外光纤传感器市场解析

英国通过市场分析调查，确定光纤传感器发展和光纤通讯发展具有密切的联系。美国市场新情报公司经过调查，认为光纤传感器发展速度不断提高，全世界光纤传感器销售市场不断扩大，全世界光纤传感器销售额都不断快速发展[5]。

我国光纤传感器市场需求比较大，工业部门需要温度光纤传感器和液面光纤传感器。例如在油罐生产工作过程中，为了保障油罐安全性，需要通过计量检查工作。当前很多部门利用人工计量方式，无法实现计量自动化管理，需要设置光纤传感器系统。一些压力容器缺乏安全可靠的检测手段，也需要颜值生产光纤液位计，可以自动检测压力容器液位。在水工大坝安全监测过程中也需要利用光纤传感器，大型大坝需要利用数万只传感器，中型坝需要利用2～3千只光纤传感器，小型坝也需要利用上百只的光纤传感器。利用光纤传感器可以保障大坝安全监测效果，同时可以达到显著的经济效益，还可以提升整体社会效益。

4 光纤传感器的发展

4.1 干涉型光纤传感器

如果环境介质折射率发生比上年花，会改变传感光纤的光波相位。通过调制光纤传感器的相干光的相位，检测段位可以确定外界环境变化对于结构的影响，这也是干涉型光纤传感器主要工作原理[6]。

4.2 光纤SPR传感器

光纤表面等离子体共振传感器主要是利用光纤的作用，激发SPR效应基体。为了保证产生SPR效应，需要将部分包层去除，将金属薄膜镀上纤芯表面。光在纤芯包层会出现全面发射，发生SPR效应，结合传输损耗谱的峰值变化，可以确定待测样品参数。通过传导电子共振振荡，建立共振条件。

4.3 光纤光栅传感器

根据光纤栅周期，可以划分光栅为光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅。光纤布拉格光栅光谱主要是向前传输，这样会耦合传输方向相反的模式。长周期光纤光栅的光谱需要耦合同向传输的纤芯基模和包层的高阶模。

5 光纤传感器的应用

5.1 土木工程方面

在城市建设中，桥梁和大坝以等方面胡利用干涉陀螺仪和光栅压力传感器，可以保障信息化数据的传输效率，可以根据实际工作要求完善通讯建设，避免参建人员出现重复施工的问题，减少土木工程人力和物力等方面的损耗[7]。

5.2 电力系统方面

电力系统需要测定温度参数和电流参数等，例如需要检测电力系统高压变压器和大型电机的电子，检测转子内部的温度等，因为强电磁场很容易干扰到电类传感器的工作，无法发挥出电类传感器的作用，以此需要发挥光纤传感器的作用。

5.3 生物医学方面

射频和微波不会感染到光纤传感器，光纤传感器同时具有很强的绝缘性，对于生物体光纤传感器具有良好的亲和性，在生物医学领域中，在测量PH值和血液流速等方面，光纤传感器发挥着重要的作用。利用光纤传感器建立控制系统，可以监控和采集数据，在网络数据通信和图形用户界面等方面，利用光纤传感器可以监控管理整个工作过程。

5.4 工业生产方面

光纤传感器具有良好的耐水性，因为各地地理环境和温度具有较大的差异性，利用光纤传感器和电功率传感器可以建立阵列网格，可以分布式监控错综复杂的线路，因此确定电力传输网络的温度和电压以及电流等方面，提升电力传输工作的稳定性，同时可以创设安全的工作环节。

5.5 光纤传感器的行业应用前景

光纤传感器系统不断发展，可以实现准确定位，同时具有良好的隐蔽性和环境适应性，因此在重要核心设施和区域安全监测中广泛利用光纤传感器。在民用行业中光纤传感器发挥着重要的作用，例如高速铁路行业中不断利用高科技技术手段，在高铁安全监测过程中，光纤传感器发挥着重要的作用。

在军事领域发展过程中，光纤传感器发挥着显著的作用，而海军主要是利用海底定位分布式光纤水听系统，在路基边境远程监测领域当中广泛利用光纤传感器，因此在未来发展过程中，光纤传感器技术未来发展具有显著的可拓性。

6 结语

综上所述，光纤传感器具有抵抗电磁干扰能力，同时具有较高的灵敏性，同时可以实现多点远程监控，在国民经济各行各业中都开始广泛利用光纤传感器，我国需要加大力度研究光纤传感器，积极研究特殊光纤材料和器件，为光纤传感器发展奠定坚实的基础。

参考文献

[1] 英宇，许可.根据光纤传感器的应用改革“传感检测技术”课程教学[J].中国建设教育，2019（6）：32-34.

[2] 张傲岩，黄会玲，江超，等.多芯光纤构成的温度与折射率同時测量的光纤传感器[J].光电子·激光，2019，30（10）：1017-1025.

[3] 何红，刘雨棣.基于光纤传感器的多点温度在线高精密测量系统设计[J].激光杂志，2019，40（8）：146-149.

[4] 解永泽，刘文礼.光纤测量传感器技术在敦化电站的研究与应用[J].山西建筑，2019，45（11）：148-150.