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光纖傳感器（二）

2026-01-20

應用

絕緣于污穢、磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉矩、光聲、電流，光纖傳感器可用于位移、震動、轉動、壓力、彎曲、應變、速度、加速度、電流、磁場、電壓、濕度、溫度、聲場、流量、濃度、PH值和應變等物理量的測量。光纖傳感器的應用范圍很廣，幾乎涉及國民經濟和國防上所有重要領域和人們的日常生活，尤其可以安全有效地在惡劣環境中使用，解決了許多行業多年來一直存在的技術難題，具有很大的市場需求。主要表現在以下幾個方面的應用：
城市建設中橋梁、大壩、油田等的干涉陀螺儀和光柵壓力傳感器的應用。光纖傳感器可預埋在混凝土、碳纖維增強塑料及各種復合材料中，用于測試應力松弛、施工應力和動荷載應力，從而評估橋梁短期施工階段和長期營運狀態的結構性能。
在電力系統，需要測定溫度、電流等參數，如對高壓變壓器和大型電機的定子、轉子內的溫度檢測等，由于電類傳感器易受電磁場的干擾，無法在這類場合中使用，只能用光纖傳感器。分布式光纖溫度傳感器是近幾年發展起來的一種用于實時測量空間溫度場分布的高新技術，分布式光纖溫度傳感系統不僅具有普遍光纖傳感器的優點，還具有對光纖沿線各點的溫度的分布傳感能力，利用這種特點我們可以連續實時測量光纖沿線幾公里內各點溫度，定位精度可達米的量級，測量精度可達1度的水平，非常適用大范圍交點測溫的應用場合。
此外，光纖傳感器還可以應用于鐵路監控、火箭推進系統以及油井檢測等方面。
光纖同時具備寬帶、大容量、遠距離傳輸和可實現多參數、分布式、低能耗傳感的顯著優點。光纖傳感可以不斷汲取光纖通信的新技術、新器件，各種光纖傳感器有望在物聯網中得到廣泛應用。

案例

土木工程領域

隨著光纖傳感器技術的發展，在土木工程領域光纖傳感器得到了廣泛的應用，用來測量混凝土結構變形及內部應力，檢測大型結構、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變傳感器使用。
光纖傳感器可以黏貼在結構物表面用于測量，同時也可以通過預埋實現結構物內部物理量的測量。利用預先埋入的光纖傳感器，可以對混凝土結構內部損傷過程中內部應變的測量，再根據荷載－應變關系曲線斜率，可確定結構內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－應變曲線比應變片測試的線性度高。

檢測技術

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（高壓輸電網的電流測量、電壓測量）、核工業（放射劑量測量、原子能發電站泄露劑量監測）、醫療（血液流速測量、血壓及心音測量）、科學研究（地球自轉）等眾多領域都得到了廣泛應用。

石油工業

在石油測井技術中，可以利用光纖傳感器實現井下石油流量、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，當被測的溫度或者壓力發生變化時干涉條紋改變，光纖F—P腔的腔長也隨之發生變化，通過計算腔長的變化實現溫度和壓力的測量。

溫度測量

光纖傳感技術是伴隨光通信的迅速發展而形成的新技術。在光通信系統中，光纖是光波信號長距離傳輸的媒質。當光波在光纖中傳輸時，表征光波的相位、頻率、振幅、偏振態等特征參量，會因溫度、壓力、磁場、電場等外界因素的作用而發生變化，故可以將光纖用作傳感器元件，探測導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，稱為相位調制傳感型光纖傳感器，其他還有振幅調制傳感型、偏振態調制型、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，不僅操作簡短，而且提高了測量結果的精確度和準確度。金屬絲傳統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換而將之放大若干倍數，從而得到微小伸長，再通過計算得到楊氏模量值。
而自從有了傳感器，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、精確度及準確度上都有提高。紅外光測距系統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以內的微小距離測量的線性度是非常高的。系統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。當光發射器發生的紅外光，經光源光纖照射至反射體，被反射的光經接收光纖，傳至光電轉換元件將接收到的光信號轉換為電信號。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關系，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，當出現實驗記錄的鋼絲仲長所對應的電勢差值時，記錄此時的螺旋測微儀讀數。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，側量的結果是明顯優于傳統測試。

環境分析

隨著中國工業自動化應用環境的不斷發展，儀器儀表行業日新月異，當前儀器儀表行業面臨新的發展，這一行業的十二五規劃(草案)，也根據新時期的要求，提出了重點發展的若干關鍵技術，這對行業未來發展無疑有著重要的指導意義。
新型傳感器技術包括固態硅傳感器技術、光纖傳感技術、智能傳感器作為重點，進行關鍵技術攻關。在光纖傳感領域，重點發展新原理、新效應的傳感技術，傳感器智能技術，傳感器網絡技術，微型化和低功耗技術以及傳感器陣列及多功能多參數設計、制造和封裝技術。
目前有數百個單位在這一領域開展工作，如清華大學、復旦大學、天津大學、重慶大學、北京航空航天大學等，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廠家，市場規模達到1200億元以上。
(一)影響行業發展的有利因素分析
國家科委于1987年4月制定的《傳感器發展政策》白皮書確定了必須大力發展傳感器技術，特別是要把新型傳感器技術作為優先領域予以發展。1991年 12月30日《中共中央關于制定國民經濟和社會發展的十年規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和在國民經濟中的普遍應用。
(二)影響行業發展的不利因素分析
雖然光纖傳感器技術在實際檢測中取得了一些應用，但仍存在一些問題，如光纖埋入結構的工藝問題，雖然可以通過安裝方式得到改善，但同時也導致了應變要先經過金屬傳遞，然后再由光纖間接感應到應變，因此需要通過實驗修正才能夠進行準確測量。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確性。再者目前光纖傳感器實用性還有待開發，同時其制作成本相當昂貴。目前光纖傳感器很大一部分產品還在實驗室階段，因此需要將實驗結果盡快投入到使用中去。
隨著市場逐漸開放和中國投資環境的改善以及全球化經濟的進程加速，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為傳感器在感知信息方面的落后，另一方面則表現為傳感器自身在智能化和網絡化方面的技術落后。國產企業形成了"外強中干"的局面，不僅失去了中高端產品市場，而且直接導致自己能生產的產品品種單一，同質化嚴重，國產傳感器價格優勢明顯，但質量上與國外產品相比仍存在一定差距，一般應用在對信號要求不高的區域。

行業分析

光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經過光纖送入調制器，使待測參數與進入調制區的光相互作用后，導致光的光學性質（如光的強度、波長、頻率、相位、偏振態等）發生變化，成為被調制的信號光，在經過光纖送入光探測器，經解調后，獲得被測參數。
由于在傳統終端市場的應用可能性擴大以及新應用領域的新興機會所推動，2013年全球光纖傳感器市場規模為18.9億美元。據世界知名調研公司ElectroniCast發布的全球光纖傳感器市場預測數據顯示，到2026年全球光纖傳感器（包括點式和分布式）消費值將達到59.8億美元（折合約391.57億人民幣）。
傳統終端市場包括航空航天、國防、石油天然氣開采、基礎設施發展和電信行業。傳統終端市場的發展將繼續推進全球光纖傳感器市場的增長。通信行業從3G到4G網絡的持續過渡、關注智能結構的增長、基礎設施建設的新興增長、石油天然氣領域的發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、穩定的基礎設施建設活動以及國防支出的增加，都成為全球光纖傳感器行業發展的驅動因素。

組成結構

光纖傳感器網的三種基本構成。
光纖傳感器網有三種基本構成，其中一個叫單點式傳感器。一根光纖在這里僅僅起到傳輸的作用，另外一種叫多點式傳感器，在這里一根光纖把很多傳感器串起來，這樣很多傳感器可以共用光源實現網絡性監測。再有就是智能光纖傳感器。
多點式光纖傳感器，從外表看就是一節光柵，通過紫外線照射發現有周期性的間隔。當有光纖入射的時候，如果光纖的波長正好等于間隔的兩倍，那么這個光波將會受到強烈的反射，而如果光纖受到溫度變化或者應變等等，這個反射波長將會發生變化，這種傳感器在一根光纖上可以做很多個，把它連接起來就可以用于各種各樣的傳感應用。
因為光纖是軟的，它可以兩維、三維，所以橫軸是空間的位置，縱軸是測量對象。這樣一個傳感網解決了什么問題呢?它解決了在什么位置上發生了什么事情，那個事情有多少個強度的問題，也就是提供了兩維的信息。這就是智能光纖傳感器所需要解決的問題，它有非常突出的特點要求，包括體積小、強度高、穩定性好，可植入材料中。抗電磁干擾、耐環境。 [2]
光纖傳感器已經成功應用于飛機結構監測。我們看到A-380和波音787，它們的特點是超過一半數量是碳纖維，比如說碳纖維符合樹脂有幾種缺失，一個是層與層之間的剝離，由于這種材料比較強，所以很難像鋁合金材料那樣實行碳酸檢測，所以研究人員現在開始研究把光纖傳感器埋到復合材料當中去，由于這種材料一層大概125微米的厚度，所以這種光纖傳感器必須是特別細小的光纖傳感器，大概直徑在50個微米左右。
我們說光纖傳感器網可以成為安全安心社會的神經網。光纖傳感器網可以用于光纖通訊網的診斷技術。光纖傳感器網在安防方面已經有很多的應用，國內有很多企業在這方面開展了卓有成效的工作。

發展前景

目前，我國已成為全球光纖傳感器消費最大國，在國產化進程有一定的突破。以南京大學、深圳中科傳感為代表的大學及研究院等機構，基本掌握了全套的光纖傳感器方案。而在光纖傳感系統的核心部件上，廈門彼格的窄帶光源、世維通的鈮酸鋰波導等為代表相關的器件，都不甘落后爭相實現自主研發。
縱觀整個行業市場，目前中國光纖傳感器的自主研發仍是短板，總體市場化水平仍落后外國。據統計，中國傳感器新品研制率落后美日等國近10年，產業化水平落后10到15年。未來，中國光纖傳感市場產業化格局有待提升，物聯網技術的加持，將推動中國光纖傳感市場走向新一輪發展高峰。
但是在國內傳感器沒有進入"重點領域、重點行業、重大工程"，沒有進入國民經濟主戰場。傳感器作為信息技術三大支柱之一，并未受到像集成電路和計算機那樣重視，也未享受同樣的政策。即使在基礎元器件中，其重要性也排在機械元器件之后，原因是對傳感器的重要性認識偏頗。近十年來雖然對傳感器的發展提出了一系列政策，但是都是作為主項目的子項目立項，依附于物聯網、智能制造、儀表儀器等，從未作為國家項目單獨立項。國家對傳感器的投資力度還是不夠的。

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