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(jì)算機(jī)技術(shù)成為信息技術(shù)的三大支柱。特別是當(dāng)今社會(huì)已進(jìn)入以光纖通信技術(shù)為主要特征的信息時(shí)代，光纖傳感技術(shù)代表了新一代傳感器的發(fā)展趨勢(shì)。光纖傳感器產(chǎn)業(yè)已被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)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(jì)效益好、滲透能力強(qiáng)、市場(chǎng)前景廣等特點(diǎn)為世人所矚目。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展和加入世界貿(mào)易組織，我國(guó)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(jī)遇和挑戰(zhàn)。
2 光纖傳感器及其特點(diǎn)
光纖最早在光學(xué)行業(yè)中用于傳光和傳像，在20世紀(jì)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(zhǎng)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(dāng)光波在光纖中傳播時(shí)，表征光波的特征參量(振幅、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng)等)因外界因素(如溫度、壓力、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、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(lái)探測(cè)各種待測(cè)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(lèi)。利用外界因素改變光纖中光波的特征參量，從而對(duì)外界因素進(jìn)行計(jì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鞲衅�，稱(chēng)為傳感型光纖傳感器，它具有傳感合一的特點(diǎn)，信息的獲取和傳輸都在光纖中進(jìn)行。傳光型光纖傳感器是指利用其他敏感元件測(cè)得的特征量，由光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，它的特點(diǎn)是充分利用現(xiàn)有的傳感器，因而便于推廣應(yīng)用。這兩類(lèi)光纖傳感器都可再分成光強(qiáng)調(diào)制、相位調(diào)制、偏振態(tài)調(diào)制和波長(zhǎng)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn):
(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(jī)電、石油化工、礦井等強(qiáng)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如測(cè)量水聲、加速度、輻射、磁場(chǎng)等物理量的光纖傳感器，測(cè)量各種氣體濃度的光纖化學(xué)傳感器和測(cè)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(diǎn)外，還有可撓曲的優(yōu)點(diǎn)，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(cè)量對(duì)象廣泛。目前已有性能不同的測(cè)量各種物理量、化學(xué)量的光纖傳感器在現(xiàn)場(chǎng)使用。
(5) 對(duì)被測(cè)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(cè)網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。
(7) 成本低。有些種類(lèi)的光纖傳感器的成本大大低于現(xiàn)有同類(lèi)傳感器。
光纖傳感器和電類(lèi)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(lèi)與電類(lèi)傳感器并行、互補(bǔ)的新型傳感器。
附圖 光纖傳感器與電類(lèi)傳感器傳感原理比較圖
3 中國(guó)光纖傳感器的發(fā)展概況
我國(guó)在70年代末就開(kāi)始了光纖傳感器的研究，其起步時(shí)間與國(guó)際相差不遠(yuǎn)。目前已有上百個(gè)單位在這一領(lǐng)域開(kāi)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?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)、位移計(jì)等領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究，取得了上百項(xiàng)科研成果，其中相當(dāng)數(shù)量的研究成果具有很高的實(shí)用價(jià)值，有的達(dá)到了世界先進(jìn)水平。每年發(fā)表的論文、申請(qǐng)的專(zhuān)利也不少。但我國(guó)的研究水平與發(fā)達(dá)國(guó)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(shí)驗(yàn)室研制階段，不能投入批量生產(chǎn)和工程化應(yīng)用。
4 我國(guó)光纖傳感器的市場(chǎng)需求
光纖傳感器的應(yīng)用范圍很廣，幾乎涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(lái)一直存在的技術(shù)難題，具有很大的市場(chǎng)需求。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
(1) 我國(guó)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(lái)測(cè)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(lái)更換熱電偶，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)。80年代，美國(guó)提出使用藍(lán)寶石光纖來(lái)制備高溫傳感器，但其價(jià)格昂貴，只能應(yīng)用于特殊場(chǎng)合。因此，研究和開(kāi)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(chǎng)需求。
(2) 在電力系統(tǒng)，需要測(cè)定溫度、電流等參數(shù)，如對(duì)高壓變壓器和大型電動(dòng)機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子的溫度檢測(cè)等，由于電類(lèi)傳感器易受強(qiáng)電磁場(chǎng)的干擾，無(wú)法在這些場(chǎng)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(cè)氧氣、碳?xì)浠衔�、一氧化碳等氣體，采用電類(lèi)傳感器不但達(dá)不到要求的精確度，更嚴(yán)重的會(huì)引起安全事故。因此，研究和開(kāi)發(fā)高性能的光纖氣敏傳感器，可以安全有效地實(shí)現(xiàn)上述檢測(cè)。
(4) 在環(huán)境、臨床醫(yī)學(xué)、食品安全檢測(cè)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(dá)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(qiáng)的抗干擾能力和較高的精確度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)上述各領(lǐng)域的生物量的快速、方便、準(zhǔn)確的檢測(cè)。
總之，光纖傳感器在我國(guó)具有很大的市場(chǎng)需求，其商品化、產(chǎn)業(yè)化前景極為廣闊。
5 我國(guó)光纖傳感器的發(fā)展與對(duì)策
5.1 目前存在的問(wèn)題
與其他傳感器相比，光纖傳感器具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和更廣闊的應(yīng)用前景，我國(guó)對(duì)光纖傳感器的需求量很大，市場(chǎng)前景十分誘人。但我國(guó)在光纖傳感器的研究與開(kāi)發(fā)，尤其是在商品化、產(chǎn)業(yè)化方面，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了市場(chǎng)需求。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，光纖傳感器的市場(chǎng)銷(xiāo)售額占我國(guó)傳感器銷(xiāo)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(yàn)、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(jìn)程。
5.2 發(fā)展重點(diǎn)已經(jīng)開(kāi)始轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)化
近幾年來(lái)，我國(guó)以國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)為導(dǎo)向、以研究光纖傳感器關(guān)鍵技術(shù)為重點(diǎn)，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(guó)家批準(zhǔn)武漢理工大學(xué)承擔(dān)“光纖傳感技術(shù)國(guó)家工業(yè)性試驗(yàn)基地”項(xiàng)目，通過(guò)對(duì)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(jìn)行攻關(guān)，以提高我國(guó)光纖傳感器及其生產(chǎn)技術(shù)水平。該項(xiàng)目已通過(guò)國(guó)家級(jí)驗(yàn)收，其關(guān)鍵技術(shù)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。由此提高了我國(guó)光纖傳感器科研生產(chǎn)的綜合實(shí)力，使一批以其關(guān)鍵技術(shù)為基礎(chǔ)的光纖液位計(jì)、煤氣柜位機(jī)、閥位回訊器形成批量生產(chǎn)，并在我國(guó)石油、鋼鐵、運(yùn)輸、國(guó)防等行業(yè)實(shí)現(xiàn)了批量應(yīng)用，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。我國(guó)第一個(gè)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(lèi)30余種光纖傳感器系列產(chǎn)品。但從整個(gè)行業(yè)水平來(lái)說(shuō)，與發(fā)達(dá)國(guó)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(chǎng)開(kāi)發(fā)、銷(xiāo)售等方面。
我國(guó)在90年代末期，以研究中間試驗(yàn)技術(shù)、生產(chǎn)裝備技術(shù)為重點(diǎn)，進(jìn)一步加快我國(guó)光纖傳感器的產(chǎn)業(yè)化建設(shè)，重點(diǎn)支持自主開(kāi)發(fā)和擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的科研成果產(chǎn)業(yè)化，培育若干具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的企業(yè)集團(tuán)及重點(diǎn)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(guó)家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工作”項(xiàng)目，投資額度就達(dá)1億。有關(guān)專(zhuān)家認(rèn)為，通過(guò)國(guó)家對(duì)光纖傳感器示范工作等有關(guān)項(xiàng)目的支持，我國(guó)的光纖傳感器可得到更快的發(fā)展，整個(gè)生產(chǎn)將達(dá)到國(guó)際90年代末期水平，品種達(dá)到上千種，并建成具有較強(qiáng)綜合實(shí)力與競(jìng)爭(zhēng)力的光纖傳感器高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。
我國(guó)在光纖傳感器的新產(chǎn)品研究開(kāi)發(fā)方面取得了可喜的成績(jī)，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(jìn)的水平。該光纖高溫傳感器針對(duì)傳統(tǒng)的鉑銠絲熱電偶?jí)勖�、價(jià)格高、消耗大等弊病和非接觸式高溫輻射溫度計(jì)測(cè)量誤差大等問(wèn)題，首創(chuàng)采用了“接觸-非接觸式”測(cè)量方法來(lái)實(shí)現(xiàn)高溫測(cè)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(zhǎng)等特點(diǎn)，可適用于多種高溫爐體，特別是一些高電壓、大電流、強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)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(guò)檢測(cè)在光纖內(nèi)寫(xiě)入的光柵反射或透射光譜布喇格波長(zhǎng)及其變化量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和溫度的測(cè)量。它可廣泛用于對(duì)工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度參數(shù)以及對(duì)結(jié)構(gòu)徐變、裂縫、整體性等結(jié)構(gòu)參數(shù)的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程結(jié)構(gòu)內(nèi)多目標(biāo)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(yàn)工程的監(jiān)測(cè)。美國(guó)、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(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、多參量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，一些小型演示系統(tǒng)已在某些展覽會(huì)上面市。中國(guó)緊密跟蹤世界先進(jìn)水平，只用了較短的時(shí)間，在光纖光柵的制備、傳感和解調(diào)技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)了突破，取得了多項(xiàng)成果，成功地研制出光纖光柵溫度報(bào)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(cè)系統(tǒng)，并即將用于化工、鐵路油罐的溫度監(jiān)測(cè)和民用結(jié)構(gòu)、橋梁的監(jiān)測(cè)。
5.3 我國(guó)光纖傳感器今后的發(fā)展方向和對(duì)策
由于我國(guó)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(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，因此，加快和促進(jìn)光纖傳感器的商品化、產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，無(wú)疑是光纖傳感器今后的主要發(fā)展方向。未來(lái)我國(guó)光纖傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略是加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新、優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、突出重點(diǎn)、加快發(fā)展。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，筆者認(rèn)為應(yīng)該采取以下措施:
(1) 加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，不斷研究開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品。新世紀(jì)初，微電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)將達(dá)到成熟期，光電子技術(shù)進(jìn)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(jī)遇，開(kāi)發(fā)出具有世界先進(jìn)水平的新一代產(chǎn)品。
(2) 跟蹤世界新技術(shù)，堅(jiān)持有限目標(biāo)，突出重點(diǎn)，進(jìn)一步加快我國(guó)光纖傳感器的產(chǎn)業(yè)化建設(shè)，重點(diǎn)支持自主開(kāi)發(fā)和擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的科研成果產(chǎn)業(yè)化，培育若干具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的企業(yè)集團(tuán)及重點(diǎn)產(chǎn)品研制與生產(chǎn)基地。
(3) 光纖傳感器產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步向生產(chǎn)規(guī)�；�、專(zhuān)業(yè)化和自動(dòng)化方向發(fā)展，大幅度降低傳感器的價(jià)格。
(4) 進(jìn)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(jìn)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(zhǔn)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(hù)與埋設(shè)技術(shù)，工程安裝技術(shù)等。
(5) 加強(qiáng)工程化意識(shí)，改進(jìn)和完善將科研成果推向產(chǎn)業(yè)化的運(yùn)行機(jī)制，使實(shí)驗(yàn)室取得的成果迅速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，以取得經(jīng)濟(jì)效益。
(6) 加強(qiáng)工程型人才的培養(yǎng)。特別是“工程型”復(fù)合人才。
“中國(guó)2010年遠(yuǎn)景規(guī)劃”已將傳感器列為重點(diǎn)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(dāng)大的比例，這預(yù)示我國(guó)在光纖傳感器領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)一場(chǎng)激烈的競(jìng)爭(zhēng)和挑戰(zhàn)，在不久的將來(lái)，我國(guó)光纖傳感器領(lǐng)域必將呈現(xiàn)前所未有的輝煌。
