1 引言
現(xiàn)代信息技術(shù)是由信息的采集、傳輸和處理技術(shù)組成，因此傳感器、通信和計算機技術(shù)成為信息技術(shù)的三大支柱。特別是當今社會已進入以光纖通信技術(shù)為主要特征的信息時代，光纖傳感技術(shù)代表了新一代傳感器的發(fā)展趨勢。光纖傳感器產(chǎn)業(yè)已被國內(nèi)外公認為最具有發(fā)展前途的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，它以技術(shù)含量高、經(jīng)濟效益好、滲透能力強、市場前景廣等特點為世人所矚目。隨著我國經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展和加入世界貿(mào)易組織，我國光纖傳感器的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化也因此面臨著巨大的機遇和挑戰(zhàn)。
2 光纖傳感器及其特點
光纖最早在光學(xué)行業(yè)中用于傳光和傳像，在20世紀70年代初生產(chǎn)出低損耗光纖后，光纖在通信技術(shù)中用于長距離傳遞信息。光纖不僅可以作為光波的傳輸媒質(zhì)，而且當光波在光纖中傳播時，表征光波的特征參量(振幅、相位、偏振態(tài)、波長等)因外界因素(如溫度、壓力、磁場、電場、位移等)的作用而間接或直接地發(fā)生變化，從而可將光纖用作傳感元件來探測各種待測量(物理量、化學(xué)量和生物量等)，這就是光纖傳感器的基本原理。光纖傳感器可以分為傳感型和傳光型兩大類。利用外界因素改變光纖中光波的特征參量，從而對外界因素進行計量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鞲衅�，稱為傳感型光纖傳感器，它具有傳感合一的特點，信息的獲取和傳輸都在光纖中進行。傳光型光纖傳感器是指利用其他敏感元件測得的特征量，由光纖進行數(shù)據(jù)傳輸，它的特點是充分利用現(xiàn)有的傳感器，因而便于推廣應(yīng)用。這兩類光纖傳感器都可再分成光強調(diào)制、相位調(diào)制、偏振態(tài)調(diào)制和波長調(diào)制等幾種形式。
與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器具有獨特的優(yōu)點:
(1) 抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質(zhì)安全。由于光纖傳感器是利用光波傳輸信息，而光纖又是電絕緣、耐腐蝕的傳輸媒質(zhì)，并且安全可靠，這使它可以方便有效地用于各種大型機電、石油化工、礦井等強電磁干擾和易燃易爆等惡劣環(huán)境中。
(2) 靈敏度高。光纖傳感器的靈敏度優(yōu)于一般的傳感器，其中有的已由理論證明，有的已經(jīng)實驗驗證，如測量水聲、加速度、輻射、磁場等物理量的光纖傳感器，測量各種氣體濃度的光纖化學(xué)傳感器和測量各種生物量的光纖生物傳感器等。
(3) 重量輕、體積小、可撓曲。光纖除具有重量輕、體積小的特點外，還有可撓曲的優(yōu)點，因此可以利用光纖制成不同外型、不同尺寸的各種傳感器。這有利于航空航天以及狹窄空間的應(yīng)用。
(4) 測量對象廣泛。目前已有性能不同的測量各種物理量、化學(xué)量的光纖傳感器在現(xiàn)場使用。
(5) 對被測介質(zhì)影響小，有利于在生物、醫(yī)藥衛(wèi)生等具有復(fù)雜環(huán)境的領(lǐng)域中應(yīng)用。
(6) 便于復(fù)用，便于成網(wǎng)，有利于與現(xiàn)有光通信設(shè)備組成遙測網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。
(7) 成本低。有些種類的光纖傳感器的成本大大低于現(xiàn)有同類傳感器。
光纖傳感器和電類傳感器的傳感原理及特性比較分別如附圖、附表所示。由此可知，光纖傳感器是一類與電類傳感器并行、互補的新型傳感器。
附圖 光纖傳感器與電類傳感器傳感原理比較圖
3 中國光纖傳感器的發(fā)展概況
我國在70年代末就開始了光纖傳感器的研究，其起步時間與國際相差不遠。目前已有上百個單位在這一領(lǐng)域開展工作，如清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、武漢理工大學(xué)、重慶大學(xué)、核工業(yè)總公司九院、電子工業(yè)部1426所等。他們在光纖溫度傳感器、壓力計、流量計、液位計、電流計、位移計等領(lǐng)域進行了大量的研究，取得了上百項科研成果，其中相當數(shù)量的研究成果具有很高的實用價值，有的達到了世界先進水平。每年發(fā)表的論文、申請的專利也不少。但我國的研究水平與發(fā)達國家相比，還有不小的差距，主要表現(xiàn)在商品化和產(chǎn)業(yè)化方面，大多數(shù)品種仍處于實驗室研制階段，不能投入批量生產(chǎn)和工程化應(yīng)用。
4 我國光纖傳感器的市場需求
光纖傳感器的應(yīng)用范圍很廣，幾乎涉及國民經(jīng)濟的所有重要領(lǐng)域和人們的日常生活，尤其可以安全有效地在惡劣環(huán)境中使用，解決了許多行業(yè)多年來一直存在的技術(shù)難題，具有很大的市場需求。主要表現(xiàn)在以下幾個方面:
(1) 我國使用高溫傳感器每年要消耗幾十億元，傳統(tǒng)使用鉑銠絲熱電偶來測量高溫，壽命短，成本高，而且在工業(yè)生產(chǎn)中往往需要停產(chǎn)來更換熱電偶，嚴重影響了生產(chǎn)。80年代，美國提出使用藍寶石光纖來制備高溫傳感器，但其價格昂貴，只能應(yīng)用于特殊場合。因此，研究和開發(fā)精確度高、性能穩(wěn)定、成本低的光纖高溫傳感器具有極大的市場需求。
(2) 在電力系統(tǒng)，需要測定溫度、電流等參數(shù)，如對高壓變壓器和大型電動機的定子、轉(zhuǎn)子的溫度檢測等，由于電類傳感器易受強電磁場的干擾，無法在這些場合中使用，只能使用光纖傳感器。
(3) 在石油化工系統(tǒng)、礦井、大型電廠等，需要檢測氧氣、碳氫化合物、一氧化碳等氣體，采用電類傳感器不但達不到要求的精確度，更嚴重的會引起安全事故。因此，研究和開發(fā)高性能的光纖氣敏傳感器，可以安全有效地實現(xiàn)上述檢測。
(4) 在環(huán)境、臨床醫(yī)學(xué)、食品安全檢測等方面，由于其環(huán)境復(fù)雜、影響因素多，使用其他傳感器達不到所需要的精確度，并且易受外界因素的干擾。采用光纖傳感器可以具有很強的抗干擾能力和較高的精確度，可實現(xiàn)對上述各領(lǐng)域的生物量的快速、方便、準確的檢測。
總之，光纖傳感器在我國具有很大的市場需求，其商品化、產(chǎn)業(yè)化前景極為廣闊。
5 我國光纖傳感器的發(fā)展與對策
5.1 目前存在的問題
與其他傳感器相比，光纖傳感器具有獨特的優(yōu)點和更廣闊的應(yīng)用前景，我國對光纖傳感器的需求量很大，市場前景十分誘人。但我國在光纖傳感器的研究與開發(fā)，尤其是在商品化、產(chǎn)業(yè)化方面，遠遠滿足不了市場需求。與發(fā)達國家相比，光纖傳感器的市場銷售額占我國傳感器銷售額的比例很小，特別是在光纖傳感器的共性基礎(chǔ)、中間試驗、生產(chǎn)裝備技術(shù)方面尤為突出，影響了光纖傳感器產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化進程。
5.2 發(fā)展重點已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)化
近幾年來，我國以國內(nèi)外市場為導(dǎo)向、以研究光纖傳感器關(guān)鍵技術(shù)為重點，加大了有關(guān)科技攻關(guān)的力度，在光纖傳感器產(chǎn)品化方面取得了明顯的效果。如國家批準武漢理工大學(xué)承擔(dān)“光纖傳感技術(shù)國家工業(yè)性試驗基地”項目，通過對一些關(guān)鍵技術(shù)如敏感材料的工程化技術(shù)、光纖傳感器共有制造技術(shù)、光纖傳感器工程技術(shù)及器件、儀表進行攻關(guān)，以提高我國光纖傳感器及其生產(chǎn)技術(shù)水平。該項目已通過國家級驗收，其關(guān)鍵技術(shù)達到了國際先進水平。由此提高了我國光纖傳感器科研生產(chǎn)的綜合實力，使一批以其關(guān)鍵技術(shù)為基礎(chǔ)的光纖液位計、煤氣柜位機、閥位回訊器形成批量生產(chǎn)，并在我國石油、鋼鐵、運輸、國防等行業(yè)實現(xiàn)了批量應(yīng)用，產(chǎn)品質(zhì)量達到國際先進水平。我國第一個具有產(chǎn)業(yè)化特征的生產(chǎn)光纖傳感器產(chǎn)品的武漢工大光纖傳感股份有限公司，能生產(chǎn)7大類30余種光纖傳感器系列產(chǎn)品。但從整個行業(yè)水平來說，與發(fā)達國家相比還有較大的差距，主要表現(xiàn)在大多數(shù)光纖傳感器產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)規(guī)模、市場開發(fā)、銷售等方面。
我國在90年代末期，以研究中間試驗技術(shù)、生產(chǎn)裝備技術(shù)為重點，進一步加快我國光纖傳感器的產(chǎn)業(yè)化建設(shè)，重點支持自主開發(fā)和擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的科研成果產(chǎn)業(yè)化，培育若干具有國際競爭力的企業(yè)集團及重點產(chǎn)品研制與生產(chǎn)基地，大幅度增加投資力度，僅武漢科技大學(xué)承擔(dān)的“光纖傳感器國家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工作”項目，投資額度就達1億。有關(guān)專家認為，通過國家對光纖傳感器示范工作等有關(guān)項目的支持，我國的光纖傳感器可得到更快的發(fā)展，整個生產(chǎn)將達到國際90年代末期水平，品種達到上千種，并建成具有較強綜合實力與競爭力的光纖傳感器高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。
我國在光纖傳感器的新產(chǎn)品研究開發(fā)方面取得了可喜的成績，例如在高溫傳感器和光纖光柵傳感器方面獲得了重大突破，特別是高溫傳感器處于較先進的水平。該光纖高溫傳感器針對傳統(tǒng)的鉑銠絲熱電偶壽命短、價格高、消耗大等弊病和非接觸式高溫輻射溫度計測量誤差大等問題，首創(chuàng)采用了“接觸-非接觸式”測量方法來實現(xiàn)高溫測量。該傳感器具有精確度高、耐腐蝕、抗電磁干擾、成本低、使用壽命長等特點，可適用于多種高溫爐體，特別是一些高電壓、大電流、強磁場、強輻射等惡劣環(huán)境，是替代傳統(tǒng)的鉑銠絲熱電偶的最佳選擇。該傳感器已經(jīng)在化工和冶金行業(yè)得到使用,取得了很好的應(yīng)用效果。
目前，基于光纖布喇格光柵的光纖應(yīng)變和溫度傳感器是一種極具代表性的新興傳感結(jié)構(gòu)，它通過檢測在光纖內(nèi)寫入的光柵反射或透射光譜布喇格波長及其變化量來實現(xiàn)對被測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和溫度的測量。它可廣泛用于對工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度參數(shù)以及對結(jié)構(gòu)徐變、裂縫、整體性等結(jié)構(gòu)參數(shù)的實時在線監(jiān)測，實現(xiàn)對工程結(jié)構(gòu)內(nèi)多目標信息的監(jiān)控和提取。它的出現(xiàn)已引起人們的高度重視，被應(yīng)用于一些試驗工程的監(jiān)測。美國、加拿大的幾家公司已著手研究它在橋梁、大壩、懸臂梁結(jié)構(gòu)等大型建筑中實現(xiàn)多點、多參量實時監(jiān)測的問題，一些小型演示系統(tǒng)已在某些展覽會上面市。中國緊密跟蹤世界先進水平，只用了較短的時間，在光纖光柵的制備、傳感和解調(diào)技術(shù)方面實現(xiàn)了突破，取得了多項成果，成功地研制出光纖光柵溫度報警系統(tǒng)和光纖光柵工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)，并即將用于化工、鐵路油罐的溫度監(jiān)測和民用結(jié)構(gòu)、橋梁的監(jiān)測。
5.3 我國光纖傳感器今后的發(fā)展方向和對策
由于我國目前在光纖傳感器的產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模推廣應(yīng)用方面還遠遠不能滿足國民經(jīng)濟發(fā)展的需求，因此，加快和促進光纖傳感器的商品化、產(chǎn)業(yè)化進程，無疑是光纖傳感器今后的主要發(fā)展方向。未來我國光纖傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略是加強技術(shù)創(chuàng)新、優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、突出重點、加快發(fā)展。要實現(xiàn)這個目標，筆者認為應(yīng)該采取以下措施:
(1) 加強技術(shù)創(chuàng)新，不斷研究開發(fā)新產(chǎn)品。新世紀初，微電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)、計算機技術(shù)將達到成熟期，光電子技術(shù)進入發(fā)展的中期，這均為加速研制新一代光纖傳感器提供了發(fā)展條件。我們應(yīng)該抓住機遇，開發(fā)出具有世界先進水平的新一代產(chǎn)品。
(2) 跟蹤世界新技術(shù)，堅持有限目標，突出重點，進一步加快我國光纖傳感器的產(chǎn)業(yè)化建設(shè)，重點支持自主開發(fā)和擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的科研成果產(chǎn)業(yè)化，培育若干具有國際競爭力的企業(yè)集團及重點產(chǎn)品研制與生產(chǎn)基地。
(3) 光纖傳感器產(chǎn)業(yè)進一步向生產(chǎn)規(guī)�；I(yè)化和自動化方向發(fā)展，大幅度降低傳感器的價格。
(4) 進一步提高和完善光纖傳感器制備和加工技術(shù)。要盡快將科研成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，提高產(chǎn)品質(zhì)量，必須要有先進的光纖傳感器制備和加工技術(shù)。這些技術(shù)包括光纖火焰顯微加工、準分子激光加工、離子自組裝薄膜制備、微波成膜制備，以及光纖傳感器的封裝、保護與埋設(shè)技術(shù)，工程安裝技術(shù)等。
(5) 加強工程化意識，改進和完善將科研成果推向產(chǎn)業(yè)化的運行機制，使實驗室取得的成果迅速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，以取得經(jīng)濟效益。
(6) 加強工程型人才的培養(yǎng)。特別是“工程型”復(fù)合人才。
“中國2010年遠景規(guī)劃”已將傳感器列為重點發(fā)展的產(chǎn)業(yè)之一，在傳感器中，光纖傳感器將占有相當大的比例，這預(yù)示我國在光纖傳感器領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)一場激烈的競爭和挑戰(zhàn)，在不久的將來，我國光纖傳感器領(lǐng)域必將呈現(xiàn)前所未有的輝煌。
