几种主要光纤传感器的发展现状

光纤陀螺光纤陀螺可分为干涉型、谐振型和布里渊型。干涉型光纤陀螺是第一代，技术已经成熟，正处于推进量产和商业化阶段。谐振式光纤陀螺是第二代，正处于从实验室研究到实际应用的发展阶段。布里渊型是第三代，目前还在理论研究阶段。光纤陀螺的结构根据所用的光学元件有三种实现方式:小型分立元件系统、全光纤系统和集成光学元件系统。目前分立光学元件的方案已经基本消失，开环光纤陀螺采用全光纤系统，精度低，成本低。集成光学元件陀螺因其工艺简单、整体重复性好、成本低，已成为国际上中高精度光纤陀螺的主要方案。光纤陀螺主要由光源、探测器等有源器件，光纤耦合器、相位调制器等无源器件，以及光纤组成。国外从1976开始研究，到90年代中期，已经有各种精度的光纤陀螺出售，率先应用于航空航天和军事领域。目前，许多产品已经应用于民用飞机和汽车工业。我国在保偏光纤、耦合器、多功能集成光调制器(Y波导)等领域取得重大成就，接近或达到国际先进水平。光源还在研究中，超发射激光二极管在实验室条件下可以满足要求，但工程应用还存在可靠性、温度特性等问题。限于半导体工艺，目前国内主要研究集中在1300nm波段。国内外差距主要在产品化，技术不成熟，没有规模化生产能力；组件的性能和生产能力需要提高。Xi安飞秒光电研发总监米勒告诉光纤在线:“中国已经量产千分之一精度的光纤陀螺，目前主要应用于导弹等低精度领域，机载用的高精度光纤陀螺正在研发中。航天时代集团光纤陀螺年销售额已超过2亿元，国内也有不少企业在此领域发展，主要集中在中等精度领域。目前核心器件的相位调制器主要由北京世为通公司生产，重庆44家公司也在生产，Xi安光机所也在研制。光纤绕线一般是各个厂家生产的，武汉长盈通公司专门做光纤绕线。LED光源主要由武汉光迅和深圳康菲生产。“可以预见，光纤陀螺将在中低精度和中高精度领域逐步取代传统的机电陀螺，未来在航空航天、军事、汽车等领域具有巨大的发展潜力。光纤水听器光纤水听器是一种基于光纤和光电子技术的水声信号传感器。它通过高灵敏度的光纤相干探测将水下声信号转换成光信号，再通过光纤传输到信号处理系统，转换成声信号信息。与传统水听器相比，它具有灵敏度高、响应带宽宽、无电磁干扰等特点。它广泛应用于军事和石油勘探、环境探测等领域，具有巨大的发展潜力。根据原理，光纤水听器可分为干涉型、强度型和光栅型。干涉型光纤水听器的关键技术已逐步发展成熟，在一些领域已形成产品；光纤光栅水听器是当前的研究热点。研究的关键技术涉及光源、光纤器件、探头技术、抗偏振衰落技术、抗相位衰落技术、信号处理技术、复用技术和工程技术。光纤水听器的研究始于20世纪70年代末的美国海军实验室，许多发达国家都投入了大量的人力物力进行研究，并取得了很多成果。在军事应用中，随着潜艇噪声的降低和电声纳的探测灵敏度接近极限，光纤水听器将大有用武之地。我国光纤水听器的研究也取得了很大的进展，在一些技术指标上达到了国际水平，但主要处于理论和实验阶段，实用化和工程化的光纤水听器尚未见报道。光纤光栅传感器光纤光栅传感器，尤其是光纤光栅传感器，是近年来国内外传感器领域的研究热点。传统的光纤传感器大多属于光强型和干涉型。光强型传感器存在光源不稳定、光纤损耗和探测器老化等问题。干涉型传感器由于两个干涉光束的光强相等，需要固定一个参考点，不便于应用。基于光纤光栅的光纤光栅传感器的传感信号是波长调制的，具有很强的复用能力，避免了上述传统光纤传感器的问题。光纤光栅传感器是建筑健康检测、冲击检测、形状控制和减振检测中最理想的敏感元件。光纤光栅传感器广泛应用于地球动力学、航天器、船舶、土木工程结构、电力工业、医学和化学传感。光纤光栅传感器的主要研究方向为:(1)高灵敏度、高分辨率的传感器研究，可同时感知应变和温度变化；(2)开发低成本、小型化、可靠和灵敏的检测技术系统；(3)实际应用研究，包括封装技术、温度补偿技术和传感器网络技术。目前，一些类型的光纤光栅传感器已经商品化，但其性能和功能还有待提高。但是，可以说光纤光栅传感技术已经接近成熟阶段。我国对光纤光栅传感器的研究相对较晚，但已经取得了很大的进展。随着实用廉价的波长解调技术的进一步发展和完善，光纤光栅传感器将会有广阔的发展前景。北京光学研究所沈经理表示，光纤光栅传感器主要应用于油罐测温、地应力测量、电力设备测温等市场，处于被小公司瓜分的状态，而科技光电、品奥光电等公司规模相对较大。根据托普光学研究院10年的行业经验分析，未来3-5年，光纤光栅传感器市场将被不同行业和地区的中小型公司占据。大型电信设备厂商目前主要对广电宽带市场感兴趣，暂时不会考虑进入这一领域。光纤电流传感器电力行业的快速发展带动电力传输系统容量不断增加，运行电压等级越来越高，不得不面临测量强电流的问题。在高电压、大电流、大功率的电力系统中，传统的基于电磁感应的电流传感器(简称CT)暴露出一系列严重的缺点:爆炸造成灾难性事故；故障电流大造成铁芯磁饱和；* * *铁芯振动效应；滞后效应；准确率不高；容易受到干扰；新一代数字电网体积大、重量重、价格高，难以满足发展需求。光纤电流传感器成为解决上述问题的最佳途径。沈经理认为光纤陀螺仪衍生出光纤电流传感器的技术方案是军事技术民用化的一个例子。目前技术方案还没有定型，处于探索-定型-再探索阶段。武汉长盈通技术总监王红海博士表示，目前国内光纤电流传感器市场有3~4家厂商小批量出货，今年国家电网招标情况约为1，000家。相对来说，用量还是很少的。目前阻碍真正规模化使用的是它的稳定性，尤其是温度稳定性。未来发展趋势光纤通信的快速发展带动了新型光学器件和材料的不断涌现，为光纤传感系统的发展提供了必要的基础。光纤传感技术发展30多年，取得了长足的进步，主要体现在:已经进入实用阶段；新的传感原理不断涌现。但目前的发展状况还远远不能满足实际需求，需要研究的课题还有很多:(1)实用性研究，尤其是性价比；(2)应用研究；(3)新型光纤传感器的研究；(4)新型敏感材料和新型特种光电器件的研究。因此，光纤传感器可能的发展趋势如下:(1)以传统传感器无法解决的问题为光纤传感器的主要研究对象；(2)集成光纤传感器；(3)多功能全光纤控制系统；(4)开拓新领域。关于光纤传感器的价格，王博士表示，光纤传感器种类繁多，具体来说就是光纤陀螺仪和光纤电流互感器，大约是同级别传统传感器的2~3倍。应用缺乏长期的稳定性和可靠性，价格高，获得的数据智能处理不够，是阻碍大规模应用的重要原因。具体到行业应用发展，沈经理告诉光纤在线，传感器技术应用于各行各业，每个企业的市场进入能力有限，所以现在遍地开花。传统传感器产业有成熟的产业链和利益链，光纤传感产业化要做好长期抗战的准备。光纤传感器价格高与规模有关，但光纤传感器背靠光通信行业，长期来看降低成本没有问题。光纤传感的工程化研究是热点，技术成熟度、成本、行业接受度、是否存在隐患都需要时间检验。一个行业要遵循生命周期，光纤传感还有很长的路要走。