國內外光纖傳感器的發展概況及市場解析

孫丞 李煒 張方 李慶鑫

摘 要：本文分析了國內外光纖傳感器的發展概況及市場發展情況，促進我國光纖傳感器在工程中廣泛應用，促進我國經濟發展。

關鍵詞：光纖傳感器;國內外;發展概況;市場情況

0 引言

在70年代開始廣泛發展光纖傳感器，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，因此光纖傳感器發展速度比較快，在國民經濟發展過程中發揮著重要的作用，同時應用前景也比較顯著。本文分析了國內外光纖傳感器的發展概況和市場情況，提出針對性的發展對策，在國民經濟中充分發揮出光纖傳感器的作用。

1 概述光纖傳感器

1.1 基本構成和工作原理

光纖傳感器可以轉變被測量的狀態為光信號，主要包括發送器和光通路以及敏感元件等部分。發送器向敏感元件發出光經源光纖，通過調制光的某一性質，向光接收器耦合光纖，轉化光信號為電信號，經過信號處理之后，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，導光能力會影響光纖。涂敷層和護套可以保護光纖，同時光纖可以引導光沿著軸線方向傳播，可以同時落實感應和傳輸等功能[1]。

1.2 類型和特點

光纖傳感器類型比較豐富，根據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，通過調制光纖內傳輸的光，改變光的強度和頻率以及偏振態等特性，再解調被調制過的信號，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，結構具有較高的靈敏度。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難度，需要利用特殊光纖，工作成本比較高，整體結構也非常快，調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，光纖負責傳輸信息。將光學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構，同時需要利用特殊光纖和特殊技術，因此應用成本比較低，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，經常應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外發展概況

2.1 外國發展概況

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，發展水平也最高。在軍用發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，同時對比傳統聲納，光纖傳感器具有較高的靈敏度，而且美國在航空發動機監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用在光纖陀螺和核輻射監測領域，應用水平不斷提升。美國不僅在軍事方面利用光纖傳感技術，在民用領域也開始利用光纖傳感器，可以利用光纖傳感器監測電力系統各方面參數，同時在民用領域中，利用光纖傳感器可以監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達到上億美元，并且年增長速度符非常快，當前民用光纖傳感器產量已經居于總產量的首位，此外在工業制造中國，光纖傳感器發展速度也非常快，美國不斷加大力度研究光纖傳網絡系統[3]。

日本在80年代制定了光控制系統的發展計劃，開始在大型工廠中廣泛利用光纖傳感器，可以測量惡劣環境中的信息，有效控制生產過程。日本成立了各類研究機構，不斷研發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絡系統，可以同時連接上千個傳感器，將光開關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，利用全光方式手機各種信息，光纖傳感網絡系統可以在煉油廠和化工廠中廣泛應用，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費。西歐各國的大型企業不斷加大力度研究開發光纖傳感器，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、速度等信息數據。

2.2 國內發展概況

我國在70年代末開始研究光纖傳感器，發展到今天，已經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以及流量計等領域，并且獲得顯著的研究成果，并且在實際生產過程中已經開始投入應用少量產品。例如在國內有關單位已經開始應用武漢工業大學顏值的光纖液位計和點式光纖報警器等，應用效果非常顯著。國內外雖然一些單位從事研究光纖傳感器，但是很多產品處于研制階段，因為缺乏相應的配套器件和加工技術等，無法實現批量生產，主要研究成果無法獲取經濟效益，需要引起相關部門的重視[4]。

3 國內外光纖傳感器市場解析

英國通過市場分析調查，確定光纖傳感器發展和光纖通訊發展具有密切的聯系。美國市場新情報公司經過調查，認為光纖傳感器發展速度不斷提高，全世界光纖傳感器銷售市場不斷擴大，全世界光纖傳感器銷售額都不斷快速發展[5]。

我國光纖傳感器市場需求比較大，工業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。當前很多部門利用人工計量方式，無法實現計量自動化管理，需要設置光纖傳感器系統。一些壓力容器缺乏安全可靠的檢測手段，也需要顏值生產光纖液位計，可以自動檢測壓力容器液位。在水工大壩安全監測過程中也需要利用光纖傳感器，大型大壩需要利用數萬只傳感器，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測效果，同時可以達到顯著的經濟效益，還可以提升整體社會效益。

4 光纖傳感器的發展

4.1 干涉型光纖傳感器

如果環境介質折射率發生比上年花，會改變傳感光纖的光波相位。通過調制光纖傳感器的相干光的相位，檢測段位可以確定外界環境變化對于結構的影響，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SPR效應基體。為了保證產生SPR效應，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全面發射，發生SPR效應，結合傳輸損耗譜的峰值變化，可以確定待測樣品參數。通過傳導電子共振振蕩，建立共振條件。

4.3 光纖光柵傳感器

根據光纖柵周期，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的纖芯基模和包層的高階模。

5 光纖傳感器的應用

5.1 土木工程方面

在城市建設中，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，可以保障信息化數據的傳輸效率，可以根據實際工作要求完善通訊建設，避免參建人員出現重復施工的問題，減少土木工程人力和物力等方面的損耗[7]。

5.2 電力系統方面

電力系統需要測定溫度參數和電流參數等，例如需要檢測電力系統高壓變壓器和大型電機的電子，檢測轉子內部的溫度等，因為強電磁場很容易干擾到電類傳感器的工作，無法發揮出電類傳感器的作用，以此需要發揮光纖傳感器的作用。

5.3 生物醫學方面

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，在生物醫學領域中，在測量PH值和血液流速等方面，光纖傳感器發揮著重要的作用。利用光纖傳感器建立控制系統，可以監控和采集數據，在網絡數據通信和圖形用戶界面等方面，利用光纖傳感器可以監控管理整個工作過程。

5.4 工業生產方面

光纖傳感器具有良好的耐水性，因為各地地理環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格，可以分布式監控錯綜復雜的線路，因此確定電力傳輸網絡的溫度和電壓以及電流等方面，提升電力傳輸工作的穩定性，同時可以創設安全的工作環節。

5.5 光纖傳感器的行業應用前景

光纖傳感器系統不斷發展，可以實現準確定位，同時具有良好的隱蔽性和環境適應性，因此在重要核心設施和區域安全監測中廣泛利用光纖傳感器。在民用行業中光纖傳感器發揮著重要的作用，例如高速鐵路行業中不斷利用高科技技術手段，在高鐵安全監測過程中，光纖傳感器發揮著重要的作用。

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

6 結語

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，同時可以實現多點遠程監控，在國民經濟各行各業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，為光纖傳感器發展奠定堅實的基礎。

參考文獻

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[7] 周劍心，劉帥，魏來.一種新型光子晶體光纖傳感器的設計及其檢測液體濃度的理論研究[J].激光雜志，2018，39（4）：68-72.