光纖傳感器的使用案例及行業(yè)分析

案例

    土木工程領(lǐng)域

    隨著光纖傳感器技術(shù)的發(fā)展，在土木工程領(lǐng)域光纖傳感器得到了廣泛的應(yīng)用，用來測量混凝土結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)部應(yīng)力，檢測大型結(jié)構(gòu)、橋梁健康狀況等，其中最主要的都是將光纖傳感器作為一種新型的應(yīng)變傳感器使用。

    光纖傳感器可以黏貼在結(jié)構(gòu)物表面用于測量，同時也可以通過預(yù)埋實現(xiàn)結(jié)構(gòu)物內(nèi)部物理量的測量。利用預(yù)先埋入的光纖傳感器，可以對混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷過程中內(nèi)部應(yīng)變的測量，再根據(jù)荷載－應(yīng)變關(guān)系曲線斜率，可確定結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷的形成和擴展方式。通過混凝土實驗表明，光纖測試的載荷－應(yīng)變曲線比應(yīng)變片測試的線性度高。

檢測技術(shù)

    光纖傳感器在航天（飛機及航天器各部位壓力測量、溫度測量、陀螺等）、航海（聲納等）、石油開采（液面高度、流量測量、二相流中空隙度的測量）、電力傳輸（高壓輸電網(wǎng)的電流測量、電壓測量）、核工業(yè)（放射劑量測量、原子能發(fā)電站泄露劑量監(jiān)測）、醫(yī)療（血液流速測量、血壓及心音測量）、科學(xué)研究（地球自轉(zhuǎn)）等眾多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。

石油工業(yè)

    在石油測井技術(shù)中，可以利用光纖傳感器實現(xiàn)井下石油流量、溫度、壓力和含水率等物理量的測量。較成熟的應(yīng)用是采用非本征光纖F—P腔傳感器測量井下的壓力和溫度。非本征光纖F-P腔傳感器利用光的多光束干涉原理，當(dāng)被測的溫度或者壓力發(fā)生變化時干涉條紋改變，光纖F—P腔的腔長也隨之發(fā)生變化，通過計算腔長的變化實現(xiàn)溫度和壓力的測量。 

溫度測量

    光纖傳感技術(shù)是伴隨光通信的迅速發(fā)展而形成的新技術(shù)。在光通信系統(tǒng)中，光纖是光波信號長距離傳輸?shù)拿劫|(zhì)。當(dāng)光波在光纖中傳輸時，表征光波的相位、頻率、振幅、偏振態(tài)等特征參量，會因溫度、壓力、磁場、電場等外界因素的作用而發(fā)生變化，故可以將光纖用作傳感器元件，探測導(dǎo)致光波信號變化的各種物理量的大小，這就是光纖傳感器。利用外界因素引起光纖相位變化來探測物理量的裝置，稱為相位調(diào)制傳感型光纖傳感器，其他還有振幅調(diào)制傳感型、偏振態(tài)調(diào)制型、傳光型等各種光纖傳感器。 

楊氏模量

    采用傳感器測量儀代替光杠桿鏡尺組組成新的楊氏模量測量系統(tǒng)，不僅操作簡短，而且提高了測量結(jié)果的精確度和準(zhǔn)確度。金屬絲傳統(tǒng)的拉伸法的基本原理是將金屬絲受到砍碼的作用力后的微小伸長形變量通過鏡尺組的光路轉(zhuǎn)換而將之放大若干倍數(shù)，從而得到微小伸長，再通過計算得到楊氏模量值。
　　而自從有的傳感器，我們把光纖傳感器測量新方法和上述方法對比，光纖傳感器的測量在靈敏度、精確度及準(zhǔn)確度上都有提高。紅外光測距系統(tǒng)測量的基本原理為采用紅外光光纖傳感器直接測量微小位移，紅外光光纖傳感器對于3mm以內(nèi)的微小距離測量的線性度是非常高的。系統(tǒng)由傳感器測量儀與反射式光纖位移傳感器組成．
　　反射式光纖位移傳感器的工作原理是采用兩束多模光纖，一端合并組成光纖探頭，另一端分為兩束，分別作為接收光纖和光源光纖。當(dāng)光發(fā)射器發(fā)生的紅外光，經(jīng)光源光纖照射至反射體，被反射的光經(jīng)接收光纖，傳至光電轉(zhuǎn)換元件將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。其輸出的光強與反射體距光纖探頭的距離之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，所以可通過對光強的檢測得到位移量。在楊氏模量儀的金屬絲處的圓柱體上利用磁鐵固定鍍鎳反射金屬片，使其能隨鋼絲伸長而移動。在支架臺上固定紅外傳感器，而后在傳感器測量儀上通過改變位移將實驗得到的電勢差值，通過多次測試，既轉(zhuǎn)動傳感器測量儀自帶的螟旋測微儀，也即改變探頭與金屬片的距離和位置，當(dāng)出現(xiàn)實驗記錄的鋼絲仲長所對應(yīng)的電勢差值時，記錄此時的螺旋測微儀讀數(shù)。測試表明采用紅外光測距此方法操作簡單。只需將探頭和反射片安裝好后就可以直接開始在托盤上加法碼實際測量了，側(cè)量的結(jié)果是明顯優(yōu)于傳統(tǒng)測試。

環(huán)境分析

    隨著中國工業(yè)自動化應(yīng)用環(huán)境的不斷發(fā)展，儀器儀表行業(yè)日新月異，當(dāng)前儀器儀表行業(yè)面臨新的發(fā)展，這一行業(yè)的十二五規(guī)劃(草案)，也根據(jù)新時期的要求，提出了重點發(fā)展的若干關(guān)鍵技術(shù)，這對行業(yè)未來發(fā)展無疑有著重要的指導(dǎo)意義。

    新型傳感器技術(shù)包括固態(tài)硅傳感器技術(shù)、光纖傳感技術(shù)、生物芯片技術(shù)、基因芯片技術(shù)、圖像傳感器技術(shù)、全固態(tài)慣性傳感器技術(shù)等?！笆濉睂⒁灾悄軅鞲衅髯鳛橹攸c，進行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。在光纖傳感領(lǐng)域，重點發(fā)展新原理、新效應(yīng)的傳感技術(shù)，傳感器智能技術(shù)，傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，微型化和低功耗技術(shù)以及傳感器陣列及多功能多參數(shù)設(shè)計、制造和封裝技術(shù)。

    目前有數(shù)百個單位在這一領(lǐng)域開展工作，如清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、天津大學(xué)、重慶大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等，他們在光纖溫度傳感器、壓力計、流量計、液位計、電流計等領(lǐng)域進行了大量研究。此外，在武漢、上海、廣東、深圳等地，還建立了許多光纖無源器件生產(chǎn)廠家，市場規(guī)模達到1200億元以上。

(一)影響行業(yè)發(fā)展的有利因素分析

      國家科委于1987年4月制定的《傳感器發(fā)展政策》白皮書確定了必須大力發(fā)展傳感器技術(shù)，特別是要把新型傳感器技術(shù)作為優(yōu)先領(lǐng)域予以發(fā)展。1991年 12月30日《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的十年規(guī)劃和八五計劃的建議》中第21條明確了要大力加強傳感器的開發(fā)和在國民經(jīng)濟中的普遍應(yīng)用。

(二)影響行業(yè)發(fā)展的不利因素分析

     雖然光纖傳感器技術(shù)在實際檢測中取得了一些應(yīng)用，但仍存在一些問題，如光纖埋入結(jié)構(gòu)的工藝問題，雖然可以通過安裝方式得到改善，但同時也導(dǎo)致了應(yīng)變要先經(jīng)過金屬傳遞，然后再由光纖間接感應(yīng)到應(yīng)變，因此需要通過實驗修正才能夠進行準(zhǔn)確測量。同時光纖傳感器的輸出信號會受到光源波動、光纖傳輸損耗變化、探測器老化等因素的影響，這些因素都會降低光纖傳感器測量的準(zhǔn)確性。再者目前光纖傳感器實用性還有待開發(fā)，同時其制作成本相當(dāng)昂貴。目前光纖傳感器很大一部分產(chǎn)品還在實驗室階段，因此需要將實驗結(jié)果盡快投入到使用中去。

    隨著市場逐漸開放和中國投資環(huán)境的改善以及全球化經(jīng)濟的進程加速，各國傳感器廠家紛紛進入中國市場，這加劇了市場的競爭。中國本土傳感器技術(shù)水平與世界水平相比仍存在很大差距，這種差距一方面表現(xiàn)為傳感器在感知信息方面的落后，另一方面則表現(xiàn)為傳感器自身在智能化和網(wǎng)絡(luò)化方面的技術(shù)落后。國產(chǎn)企業(yè)形成了“外強中干”的局面，不僅失去了中高端產(chǎn)品市場，而且直接導(dǎo)致自己能生產(chǎn)的產(chǎn)品品種單一，同質(zhì)化嚴重，國產(chǎn)傳感器價格優(yōu)勢明顯，但質(zhì)量上與國外產(chǎn)品相比仍存在一定差距，一般應(yīng)用在對信號要求不高的區(qū)域。

行業(yè)分析

    光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號光，在經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。

由于在傳統(tǒng)終端市場的應(yīng)用可能性擴大以及新應(yīng)用領(lǐng)域的新興機會所推動，2013年全球光纖傳感器市場規(guī)模為18.9億美元。預(yù)計，到2020年，全球光纖傳感器市場預(yù)計達35億美元（約合人民幣217.2億元）。

     傳統(tǒng)終端市場包括航空航天、國防、石油天然氣開采、基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展和電信行業(yè)。傳統(tǒng)終端市場的發(fā)展將繼續(xù)推進全球光纖傳感器市場的增長。通信行業(yè)從3G到4G網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)過渡、關(guān)注智能結(jié)構(gòu)的增長、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的新興增長、石油天然氣領(lǐng)域的發(fā)展都為市場增長提供了重要機遇。

尤其是在新興市場中，如中國和印度，增長的制造活動、上升的汽車需求、穩(wěn)定的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)活動以及國防支出的增加，都成為全球光纖傳感器行業(yè)發(fā)展的驅(qū)動因素。