我国光纤传感器的发展与产业化
1 引言 >yqEXx5{
现代信息技术是由信息的采集、传输和处理技术组成，因此传感器、通信和计算机技术成为信息技术的三大支柱。特别是当今社会已进入以光纤通信技术为主要特征的信息时代，光纤传感技术代表了新一代传感器的发展趋势。光纤传感器产业已被国内外公认为最具有发展前途的高新技术产业之一，它以技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。随着我国经济的蓬勃发展和加入世界贸易组织，我国光纤传感器的发展与产业化也因此面临着巨大的机遇和挑战。
2 光纤传感器及其特点 R`@7f$;wG
光纤最早在光学行业中用于传光和传像，在20世纪70年代初生产出低损耗光纤后，光纤在通信技术中用于长距离传递信息。光纤不仅可以作为光波的传输媒质，而且当光波在光纤中传播时，表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)因外界因素(如温度、压力、磁场、电场、位移等)的作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤用作传感元件来探测各种待测量(物理量、化学量和生物量等)，这就是光纤传感器的基本原理。光纤传感器可以分为传感型和传光型两大类。利用外界因素改变光纤中光波的特征参量，从而对外界因素进行计量和数据传输的传感器，称为传感型光纤传感器，它具有传感合一的特点，信息的获取和传输都在光纤中进行。传光型光纤传感器是指利用其他敏感元件测得的特征量，由光纤进行数据传输，它的特点是充分利用现有的传感器，因而便于推广应用。这两类光纤传感器都可再分成光强调制、相位调制、偏振态调制和波长调制等几种形式。 ;ByCtVm2
与传统的传感器相比，光纤传感器具有独特的优点: |Xd& aQ
(1) 抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全。由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质，并且安全可靠，这使它可以方便有效地用于各种大型机电、石油化工、矿井等强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中。 <S;YNHLC
(2) 灵敏度高。光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器，其中有的已由理论证明，有的已经实验验证，如测量水声、加速度、辐射、磁场等物理量的光纤传感器，测量各种气体浓度的光纤化学传感器和测量各种生物量的光纤生物传感器等。 3+:NX6Ewb*
(3) 重量轻、体积小、可挠曲。光纤除具有重量轻、体积小的特点外，还有可挠曲的优点，因此可以利用光纤制成不同外型、不同尺寸的各种传感器。这有利于航空航天以及狭窄空间的应用。 m}: X\G(6Q
(4) 测量对象广泛。目前已有性能不同的测量各种物理量、化学量的光纤传感器在现场使用。
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(5) 对被测介质影响小，有利于在生物、医药卫生等具有复杂环境的领域中应用。 #>BC|/P}
(6) 便于复用，便于成网，有利于与现有光通信设备组成遥测网和光纤传感网络。 >s,*=a
(7) 成本低。有些种类的光纤传感器的成本大大低于现有同类传感器。 '=Jz}F <
光纤传感器和电类传感器的传感原理及特性比较分别如附图、附表所示。由此可知，光纤传感器是一类与电类传感器并行、互补的新型传感器。
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附图 光纤传感器与电类传感器传感原理比较图
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3 中国光纤传感器的发展概况 - ~lrv#5Q
我国在70年代末就开始了光纤传感器的研究，其起步时间与国际相差不远。目前已有上百个单位在这一领域开展工作，如清华大学、华中科技大学、武汉理工大学、重庆大学、核工业总公司九院、电子工业部1426所等。他们在光纤温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计、位移计等领域进行了大量的研究，取得了上百项科研成果，其中相当数量的研究成果具有很高的实用价值，有的达到了世界先进水平。每年发表的论文、申请的专利也不少。但我国的研究水平与发达国家相比，还有不小的差距，主要表现在商品化和产业化方面，大多数品种仍处于实验室研制阶段，不能投入批量生产和工程化应用。
4 我国光纤传感器的市场需求 ^<v.=7cL0
光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难题，具有很大的市场需求。主要表现在以下几个方面: R_Bf JD .
(1) 我国使用高温传感器每年要消耗几十亿元，传统使用铂铑丝热电偶来测量高温，寿命短，成本高，而且在工业生产中往往需要停产来更换热电偶，严重影响了生产。80年代，美国提出使用蓝宝石光纤来制备高温传感器，但其价格昂贵，只能应用于特殊场合。因此，研究和开发精确度高、性能稳定、成本低的光纤高温传感器具有极大的市场需求。 /8hjs{(;
(2) 在电力系统，需要测定温度、电流等参数，如对高压变压器和大型电动机的定子、转子的温度检测等，由于电类传感器易受强电磁场的干扰，无法在这些场合中使用，只能使用光纤传感器。 (>P z3 7
(3) 在石油化工系统、矿井、大型电厂等，需要检测氧气、碳氢化合物、一氧化碳等气体，采用电类传感器不但达不到要求的精确度，更严重的会引起安全事故。因此，研究和开发高性能的光纤气敏传感器，可以安全有效地实现上述检测。 r.:f.AY{
(4) 在环境、临床医学、食品安全检测等方面，由于其环境复杂、影响因素多，使用其他传感器达不到所需要的精确度，并且易受外界因素的干扰。采用光纤传感器可以具有很强的抗干扰能力和较高的精确度，可实现对上述各领域的生物量的快速、方便、准确的检测。 miCY?=N`
总之，光纤传感器在我国具有很大的市场需求，其商品化、产业化前景极为广阔。 8 -b~p
5 我国光纤传感器的发展与对策 n
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5.1 目前存在的问题 6+PP(>em
与其他传感器相比，光纤传感器具有独特的优点和更广阔的应用前景，我国对光纤传感器的需求量很大，市场前景十分诱人。但我国在光纤传感器的研究与开发，尤其是在商品化、产业化方面，远远满足不了市场需求。与发达国家相比，光纤传感器的市场销售额占我国传感器销售额的比例很小，特别是在光纤传感器的共性基础、中间试验、生产装备技术方面尤为突出，影响了光纤传感器产品的产业化进程。 $D f1t
5.2 发展重点已经开始转向产业化 m5KLi
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近几年来，我国以国内外市场为导向、以研究光纤传感器关键技术为重点，加大了有关科技攻关的力度，在光纤传感器产品化方面取得了明显的效果。如国家批准武汉理工大学承担“光纤传感技术国家工业性试验基地”项目，通过对一些关键技术如敏感材料的工程化技术、光纤传感器共有制造技术、光纤传感器工程技术及器件、仪表进行攻关，以提高我国光纤传感器及其生产技术水平。该项目已通过国家级验收，其关键技术达到了国际先进水平。由此提高了我国光纤传感器科研生产的综合实力，使一批以其关键技术为基础的光纤液位计、煤气柜位机、阀位回讯器形成批量生产，并在我国石油、钢铁、运输、国防等行业实现了批量应用，产品质量达到国际先进水平。我国第一个具有产业化特征的生产光纤传感器产品的武汉工大光纤传感股份有限公司，能生产7大类30余种光纤传感器系列产品。但从整个行业水平来说，与发达国家相比还有较大的差距，主要表现在大多数光纤传感器产品的质量、生产规模、市场开发、销售等方面。 Kj6+$l
我国在90年代末期，以研究中间试验技术、生产装备技术为重点，进一步加快我国光纤传感器的产业化建设，重点支持自主开发和拥有自主知识产权的科研成果产业化，培育若干具有国际竞争力的企业集团及重点产品研制与生产基地，大幅度增加投资力度，仅武汉科技大学承担的“光纤传感器国家高技术产业化示范工作”项目，投资额度就达1亿。有关专家认为，通过国家对光纤传感器示范工作等有关项目的支持，我国的光纤传感器可得到更快的发展，整个生产将达到国际90年代末期水平，品种达到上千种，并建成具有较强综合实力与竞争力的光纤传感器高新技术产业。 Th~pju
我国在光纤传感器的新产品研究开发方面取得了可喜的成绩，例如在高温传感器和光纤光栅传感器方面获得了重大突破，特别是高温传感器处于较先进的水平。该光纤高温传感器针对传统的铂铑丝热电偶寿命短、价格高、消耗大等弊病和非接触式高温辐射温度计测量误差大等问题，首创采用了“接触-非接触式”测量方法来实现高温测量。该传感器具有精确度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、成本低、使用寿命长等特点，可适用于多种高温炉体，特别是一些高电压、大电流、强磁场、强辐射等恶劣环境，是替代传统的铂铑丝热电偶的最佳选择。该传感器已经在化工和冶金行业得到使用,取得了很好的应用效果。 Q-U,1b
目前，基于光纤布喇格光栅的光纤应变和温度传感器是一种极具代表性的新兴传感结构，它通过检测在光纤内写入的光栅反射或透射光谱布喇格波长及其变化量来实现对被测结构的应变和温度的测量。它可广泛用于对工程结构中的应力、应变、温度参数以及对结构徐变、裂缝、整体性等结构参数的实时在线监测，实现对工程结构内多目标信息的监控和提取。它的出现已引起人们的高度重视，被应用于一些试验工程的监测。美国、加拿大的几家公司已着手研究它在桥梁、大坝、悬臂梁结构等大型建筑中实现多点、多参量实时监测的问题，一些小型演示系统已在某些展览会上面市。中国紧密跟踪世界先进水平，只用了较短的时间，在光纤光栅的制备、传感和解调技术方面实现了突破，取得了多项成果，成功地研制出光纤光栅温度报警系统和光纤光栅工程结构的应力应变监测系统，并即将用于化工、铁路油罐的温度监测和民用结构、桥梁的监测。 4L,&a+)
5.3 我国光纤传感器今后的发展方向和对策 {z'Gg
由于我国目前在光纤传感器的产业化和大规模推广应用方面还远远不能满足国民经济发展的需求，因此，加快和促进光纤传感器的商品化、产业化进程，无疑是光纤传感器今后的主要发展方向。未来我国光纤传感器产业的发展战略是加强技术创新、优化产品结构、突出重点、加快发展。要实现这个目标，笔者认为应该采取以下措施: WCp[6g&%O
(1) 加强技术创新，不断研究开发新产品。新世纪初，微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术将达到成熟期，光电子技术进入发展的中期，这均为加速研制新一代光纤传感器提供了发展条件。我们应该抓住机遇，开发出具有世界先进水平的新一代产品。 R~ N%sn
(2) 跟踪世界新技术，坚持有限目标，突出重点，进一步加快我国光纤传感器的产业化建设，重点支持自主开发和拥有自主知识产权的科研成果产业化，培育若干具有国际竞争力的企业集团及重点产品研制与生产基地。 jd
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(3) 光纤传感器产业进一步向生产规模化、专业化和自动化方向发展，大幅度降低传感器的价格。 % %2~%FVb
(4) 进一步提高和完善光纤传感器制备和加工技术。要尽快将科研成果转化为产品，提高产品质量，必须要有先进的光纤传感器制备和加工技术。这些技术包括光纤火焰显微加工、准分子激光加工、离子自组装薄膜制备、微波成膜制备，以及光纤传感器的封装、保护与埋设技术，工程安装技术等。 *S Z]xrs
(5) 加强工程化意识，改进和完善将科研成果推向产业化的运行机制，使实验室取得的成果迅速转化为生产力，以取得经济效益。 jar?"o
(6) 加强工程型人才的培养。特别是“工程型”复合人才。 X<1y mb3
“中国2010年远景规划”已将传感器列为重点发展的产业之一，在传感器中，光纤传感器将占有相当大的比例，这预示我国在光纤传感器领域将出现一场激烈的竞争和挑战，在不久的将来，我国光纤传感器领域必将呈现前所未有的辉煌。
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