幾種主要光纖傳感器的發展現狀

光纖陀螺光纖陀螺可分為幹涉型、諧振型和布裏淵型。幹涉型光纖陀螺是第壹代，技術已經成熟，正處於推進量產和商業化階段。諧振式光纖陀螺是第二代，正處於從實驗室研究到實際應用的發展階段。布裏淵型是第三代，目前還在理論研究階段。光纖陀螺的結構根據所用的光學元件有三種實現方式:小型分立元件系統、全光纖系統和集成光學元件系統。目前分立光學元件的方案已經基本消失，開環光纖陀螺采用全光纖系統，精度低，成本低。集成光學元件陀螺因其工藝簡單、整體重復性好、成本低，已成為國際上中高精度光纖陀螺的主要方案。光纖陀螺主要由光源、探測器等有源器件，光纖耦合器、相位調制器等無源器件，以及光纖組成。國外從1976開始研究，到90年代中期，已經有各種精度的光纖陀螺出售，率先應用於航空航天和軍事領域。目前，許多產品已經應用於民用飛機和汽車工業。我國在保偏光纖、耦合器、多功能集成光調制器(Y波導)等領域取得重大成就，接近或達到國際先進水平。光源還在研究中，超發射激光二極管在實驗室條件下可以滿足要求，但工程應用還存在可靠性、溫度特性等問題。限於半導體工藝，目前國內主要研究集中在1300nm波段。國內外差距主要在產品化，技術不成熟，沒有規模化生產能力；組件的性能和生產能力需要提高。Xi安飛秒光電研發總監米勒告訴光纖在線:“中國已經量產千分之壹精度的光纖陀螺，目前主要應用於導彈等低精度領域，機載用的高精度光纖陀螺正在研發中。航天時代集團光纖陀螺年銷售額已超過2億元，國內也有不少企業在此領域發展，主要集中在中等精度領域。目前核心器件的相位調制器主要由北京世為通公司生產，重慶44家公司也在生產，Xi安光機所也在研制。光纖繞線壹般是各個廠家生產的，武漢長盈通公司專門做光纖繞線。LED光源主要由武漢光迅和深圳康菲生產。“可以預見，光纖陀螺將在中低精度和中高精度領域逐步取代傳統的機電陀螺，未來在航空航天、軍事、汽車等領域具有巨大的發展潛力。光纖水聽器光纖水聽器是壹種基於光纖和光電子技術的水聲信號傳感器。它通過高靈敏度的光纖相幹探測將水下聲信號轉換成光信號，再通過光纖傳輸到信號處理系統，轉換成聲信號信息。與傳統水聽器相比，它具有靈敏度高、響應帶寬寬、無電磁幹擾等特點。它廣泛應用於軍事和石油勘探、環境探測等領域，具有巨大的發展潛力。根據原理，光纖水聽器可分為幹涉型、強度型和光柵型。幹涉型光纖水聽器的關鍵技術已逐步發展成熟，在壹些領域已形成產品；光纖光柵水聽器是當前的研究熱點。研究的關鍵技術涉及光源、光纖器件、探頭技術、抗偏振衰落技術、抗相位衰落技術、信號處理技術、復用技術和工程技術。光纖水聽器的研究始於20世紀70年代末的美國海軍實驗室，許多發達國家都投入了大量的人力物力進行研究，並取得了很多成果。在軍事應用中，隨著潛艇噪聲的降低和電聲納的探測靈敏度接近極限，光纖水聽器將大有用武之地。我國光纖水聽器的研究也取得了很大的進展，在壹些技術指標上達到了國際水平，但主要處於理論和實驗階段，實用化和工程化的光纖水聽器尚未見報道。光纖光柵傳感器光纖光柵傳感器，尤其是光纖光柵傳感器，是近年來國內外傳感器領域的研究熱點。傳統的光纖傳感器大多屬於光強型和幹涉型。光強型傳感器存在光源不穩定、光纖損耗和探測器老化等問題。幹涉型傳感器由於兩個幹涉光束的光強相等，需要固定壹個參考點，不便於應用。基於光纖光柵的光纖光柵傳感器的傳感信號是波長調制的，具有很強的復用能力，避免了上述傳統光纖傳感器的問題。光纖光柵傳感器是建築健康檢測、沖擊檢測、形狀控制和減振檢測中最理想的敏感元件。光纖光柵傳感器廣泛應用於地球動力學、航天器、船舶、土木工程結構、電力工業、醫學和化學傳感。光纖光柵傳感器的主要研究方向為:(1)高靈敏度、高分辨率的傳感器研究，可同時感知應變和溫度變化；(2)開發低成本、小型化、可靠和靈敏的檢測技術系統；(3)實際應用研究，包括封裝技術、溫度補償技術和傳感器網絡技術。目前，壹些類型的光纖光柵傳感器已經商品化，但其性能和功能還有待提高。但是，可以說光纖光柵傳感技術已經接近成熟階段。我國對光纖光柵傳感器的研究相對較晚，但已經取得了很大的進展。隨著實用廉價的波長解調技術的進壹步發展和完善，光纖光柵傳感器將會有廣闊的發展前景。北京光學研究所沈經理表示，光纖光柵傳感器主要應用於油罐測溫、地應力測量、電力設備測溫等市場，處於被小公司瓜分的狀態，而科技光電、品奧光電等公司規模相對較大。根據托普光學研究院10年的行業經驗分析，未來3-5年，光纖光柵傳感器市場將被不同行業和地區的中小型公司占據。大型電信設備廠商目前主要對廣電寬帶市場感興趣，暫時不會考慮進入這壹領域。光纖電流傳感器電力行業的快速發展帶動電力傳輸系統容量不斷增加，運行電壓等級越來越高，不得不面臨測量強電流的問題。在高電壓、大電流、大功率的電力系統中，傳統的基於電磁感應的電流傳感器(簡稱CT)暴露出壹系列嚴重的缺點:爆炸造成災難性事故；故障電流大造成鐵芯磁飽和；核心共振效應；滯後效應；準確率不高；容易受到幹擾；新壹代數字電網體積大、重量重、價格高，難以滿足發展需求。光纖電流傳感器成為解決上述問題的最佳途徑。沈經理認為光纖陀螺儀衍生出光纖電流傳感器的技術方案是軍事技術民用化的壹個例子。目前技術方案還沒有定型，處於探索-定型-再探索階段。武漢長盈通技術總監王紅海博士表示，目前國內光纖電流傳感器市場有3~4家廠商小批量出貨，今年國家電網招標情況約為1，000家。相對來說，用量還是很少的。目前阻礙真正規模化使用的是它的穩定性，尤其是溫度穩定性。未來發展趨勢光纖通信的快速發展帶動了新型光學器件和材料的不斷湧現，為光纖傳感系統的發展提供了必要的基礎。光纖傳感技術發展30多年，取得了長足的進步，主要體現在:已經進入實用階段；新的傳感原理不斷湧現。但目前的發展狀況還遠遠不能滿足實際需求，需要研究的課題還有很多:(1)實用性研究，尤其是性價比；(2)應用研究；(3)新型光纖傳感器的研究；(4)新型敏感材料和新型特種光電器件的研究。因此，光纖傳感器可能的發展趨勢如下:(1)以傳統傳感器無法解決的問題為光纖傳感器的主要研究對象；(2)集成光纖傳感器；(3)多功能全光纖控制系統；(4)開拓新領域。關於光纖傳感器的價格，王博士表示，光纖傳感器種類繁多，具體來說就是光纖陀螺儀和光纖電流互感器，大約是同級別傳統傳感器的2~3倍。應用缺乏長期的穩定性和可靠性，價格高，獲得的數據智能處理不夠，是阻礙大規模應用的重要原因。具體到行業應用發展，沈經理告訴光纖在線，傳感器技術應用於各行各業，每個企業的市場進入能力有限，所以現在遍地開花。傳統傳感器產業有成熟的產業鏈和利益鏈，光纖傳感產業化要做好長期抗戰的準備。光纖傳感器價格高與規模有關，但光纖傳感器背靠光通信行業，長期來看降低成本沒有問題。光纖傳感的工程化研究是熱點，技術成熟度、成本、行業接受度、是否存在隱患都需要時間檢驗。壹個行業要遵循生命周期，光纖傳感還有很長的路要走。