光纖傳感器的使用案例及行業(yè)分析

       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(lái)測(cè)量混凝土結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)部應(yīng)力，檢測(cè)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(cè)量，同時(shí)也可以通過(guò)預(yù)埋實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)物內(nèi)部物理量的測(cè)量。利用預(yù)先埋入的光纖傳感器，可以對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷過(guò)程中內(nèi)部應(yīng)變的測(cè)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(kuò)展方式。通過(guò)混凝土實(shí)驗(yàn)表明，光纖測(cè)試的載荷－應(yīng)變曲線比應(yīng)變片測(cè)試的線性度高。

檢測(cè)技術(shù)

    光纖傳感器在航天（飛機(jī)及航天器各部位壓力測(cè)量、溫度測(cè)量、陀螺等）、航海（聲納等）、石油開(kāi)采（液面高度、流量測(cè)量、二相流中空隙度的測(cè)量）、電力傳輸（高壓輸電網(wǎng)的電流測(cè)量、電壓測(cè)量）、核工業(yè)（放射劑量測(cè)量、原子能發(fā)電站泄露劑量監(jiān)測(cè)）、醫(yī)療（血液流速測(cè)量、血壓及心音測(cè)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(cè)井技術(shù)中，可以利用光纖傳感器實(shí)現(xiàn)井下石油流量、溫度、壓力和含水率等物理量的測(cè)量。較成熟的應(yīng)用是采用非本征光纖F—P腔傳感器測(cè)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(cè)的溫度或者壓力發(fā)生變化時(shí)干涉條紋改變，光纖F—P腔的腔長(zhǎng)也隨之發(fā)生變化，通過(guò)計(jì)算腔長(zhǎng)的變化實(shí)現(xiàn)溫度和壓力的測(cè)量。 

溫度測(cè)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(hào)長(zhǎng)距離傳輸?shù)拿劫|(zhì)。當(dāng)光波在光纖中傳輸時(shí)，表征光波的相位、頻率、振幅、偏振態(tài)等特征參量，會(huì)因溫度、壓力、磁場(chǎng)、電場(chǎng)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(cè)導(dǎo)致光波信號(hào)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(lái)探測(cè)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(cè)量?jī)x代替光杠桿鏡尺組組成新的楊氏模量測(cè)量系統(tǒng)，不僅操作簡(jiǎn)短，而且提高了測(cè)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(zhǎng)形變量通過(guò)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(zhǎng)，再通過(guò)計(jì)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(cè)量新方法和上述方法對(duì)比，光纖傳感器的測(cè)量在靈敏度、精確度及準(zhǔn)確度上都有提高。紅外光測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量的基本原理為采用紅外光光纖傳感器直接測(cè)量微小位移，紅外光光纖傳感器對(duì)于3mm以內(nèi)的微小距離測(cè)量的線性度是非常高的。系統(tǒng)由傳感器測(cè)量?jī)x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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。其輸出的光強(qiáng)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(guò)對(duì)光強(qiáng)的檢測(cè)得到位移量。在楊氏模量?jī)x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(zhǎng)而移動(dòng)。在支架臺(tái)上固定紅外傳感器，而后在傳感器測(cè)量?jī)x上通過(guò)改變位移將實(shí)驗(yàn)得到的電勢(shì)差值，通過(guò)多次測(cè)試，既轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器測(cè)量?jī)x自帶的螟旋測(cè)微儀，也即改變探頭與金屬片的距離和位置，當(dāng)出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)記錄的鋼絲仲長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的電勢(shì)差值時(shí)，記錄此時(shí)的螺旋測(cè)微儀讀數(shù)。測(cè)試表明采用紅外光測(cè)距此方法操作簡(jiǎn)單。只需將探頭和反射片安裝好后就可以直接開(kāi)始在托盤(pán)上加法碼實(shí)際測(cè)量了，側(cè)量的結(jié)果是明顯優(yōu)于傳統(tǒng)測(cè)試。

環(huán)境分析

    隨著中國(guó)工業(yè)自動(dòng)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(shí)期的要求，提出了重點(diǎn)發(fā)展的若干關(guān)鍵技術(shù)，這對(duì)行業(yè)未來(lái)發(fā)展無(wú)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。“十二五”將以智能傳感器作為重點(diǎn)，進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。在光纖傳感領(lǐng)域，重點(diǎn)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(jì)、制造和封裝技術(shù)。

    目前有數(shù)百個(gè)單位在這一領(lǐng)域開(kāi)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?cè)诠饫w溫度傳感器、壓力計(jì)、流量計(jì)、液位計(jì)、電流計(jì)等領(lǐng)域進(jìn)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(wú)源器件生產(chǎn)廠家，市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到1200億元以上。

(一)影響行業(yè)發(fā)展的有利因素分析

      國(guó)家科委于1987年4月制定的《傳感器發(fā)展政策》白皮書(shū)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(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的十年規(guī)劃和八五計(jì)劃的建議》中第21條明確了要大力加強(qiáng)傳感器的開(kāi)發(fā)和在國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(shí)際檢測(cè)中取得了一些應(yīng)用，但仍存在一些問(wèn)題，如光纖埋入結(jié)構(gòu)的工藝問(wèn)題，雖然可以通過(guò)安裝方式得到改善，但同時(shí)也導(dǎo)致了應(yīng)變要先經(jīng)過(guò)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(guò)實(shí)驗(yàn)修正才能夠進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。同時(shí)光纖傳感器的輸出信號(hào)會(huì)受到光源波動(dòng)、光纖傳輸損耗變化、探測(cè)器老化等因素的影響，這些因素都會(huì)降低光纖傳感器測(cè)量的準(zhǔn)確性。再者目前光纖傳感器實(shí)用性還有待開(kāi)發(fā)，同時(shí)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(shí)驗(yàn)室階段，因此需要將實(shí)驗(yàn)結(jié)果盡快投入到使用中去。

    隨著市場(chǎng)逐漸開(kāi)放和中國(guó)投資環(huán)境的改善以及全球化經(jīng)濟(jì)的進(jìn)程加速，各國(guó)傳感器廠家紛紛進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，這加劇了市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)。中國(guó)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(guó)產(chǎn)企業(yè)形成了“外強(qiáng)中干”的局面，不僅失去了中高端產(chǎn)品市場(chǎng)，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(yán)重，國(guó)產(chǎn)傳感器價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯，但質(zhì)量上與國(guó)外產(chǎn)品相比仍存在一定差距，一般應(yīng)用在對(duì)信號(hào)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(lái)自光源的光經(jīng)過(guò)光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)參數(shù)與進(jìn)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(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號(hào)光，在經(jīng)過(guò)光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測(cè)參數(shù)。

由于在傳統(tǒng)終端市場(chǎng)的應(yīng)用可能性擴(kuò)大以及新應(yīng)用領(lǐng)域的新興機(jī)會(huì)所推動(dòng)，2013年全球光纖傳感器市場(chǎng)規(guī)模為18.9億美元。預(yù)計(jì)，到2020年，全球光纖傳感器市場(chǎng)預(yù)計(jì)達(dá)35億美元（約合人民幣217.2億元）。

     傳統(tǒng)終端市場(chǎng)包括航空航天、國(guó)防、石油天然氣開(kāi)采、基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展和電信行業(yè)。傳統(tǒng)終端市場(chǎng)的發(fā)展將繼續(xù)推進(jìn)全球光纖傳感器市場(chǎng)的增長(zhǎng)。通信行業(yè)從3G到4G網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)過(guò)渡、關(guān)注智能結(jié)構(gòu)的增長(zhǎng)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的新興增長(zhǎng)、石油天然氣領(lǐng)域的發(fā)展都為市場(chǎng)增長(zhǎng)提供了重要機(jī)遇。

尤其是在新興市場(chǎng)中，如中國(guó)和印度，增長(zhǎng)的制造活動(dòng)、上升的汽車(chē)需求、穩(wěn)定的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)活動(dòng)以及國(guó)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(dòng)因素。