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传感器家族的年轻一员:光纤传感器

供稿人:路炜  供稿时间:2005-9-14   关键字:光仪电  光纤传感器  市场  
在光通信迅猛发展的带动下,光纤传感器作为传感器家族中年轻的一员,以其在抗电磁干扰、轻巧、灵敏度等方面独一无二的优势,已迅速成长为年成交额超过10亿美金,并预计将于2010年拥有超过50亿美金市场的产业[1]
 
1、光纤传感器系统的优点
 
A. 各种光纤具有宽波长范围、低衰减的特性,光源、检测器和光元件的选择余地大,可以适合不同的应用场合及操作温度(表1)。
 
B. 光纤的尺寸相对较小、截面形状均匀,使表面封装或包埋变得容易。
 
C. 不受电磁干扰的影响,适合于苛刻环境。
 
D. 光纤传感器监测参数范围广:张力、温度、压力、湿度、振动、特殊化学品(例如评估老化、降解)、声波传输、断裂。
 
E. 数千米远程数据遥感勘测、在线数据获取。
 
F. 多个相似或不同传感器可以缚在单根光纤上。还可实现分布式传感。
 
表1:用作传感器的各种光纤特性
特性
硫族(元素)化物
氟化物
蓝宝石
溴化银/氯化银
硅石
聚甲基丙烯酸甲酯
波长µm
3-10
0.5-4.3
0.2-4
3.3-15
0.2-4
0.4-0.8
衰减dB/m
0.5(6µm)
0.02(2.6µm)
20(3µm)
0.7(10.6µm)
0.2(1.5µm)
0.1(0.6µm)
折射系数
2.9
1.51
1.7
2.0
1.458
1.492
最大使用温度℃
300
250
>1500
400
800
80
大约价格(USD,1998.10)
$102/m
$1020/m
$340/m
~$1/m
<$1/m
密度kg.cm-3
4400
4610
3970
2200
1190
杨氏模量GPa
21
56
414
73
3.3
热膨胀系数
´10-6 K-1
14
18.7
8.8
0.54
260
来源:G.F.Fernando, D.J.Webb, etc.. Optical-Fiber Sensors. MRS BULLETIN/MAY 2002. p359。
 
2、光纤传感器系统的问题
 
A. 成本--与普通电传感器相比,光纤传感器价格高得令人不敢问津。因此光纤传感器常被用于普通传感器无法适用的场合。
 
B. 耐用性--光纤和传感器都十分脆弱,使用时必须加以防护。例如,对用于监测混凝土结构的光纤传感器必须采取一定的保护手段来防止碱性基质的化学伤害和混凝料的物理伤害。
 
C. 传导--从测量点至感受区的传导效率至关重要。
 
D. 数据解释--传感器输出受到光纤系统结构的轴向/径向/侧向应变、温度、热膨胀以及外部湿度的影响,造成传感器数据解释不直接。对于那些包括多个或复合传感器的系统,需要对数据进行还原和融合。
 
E. 内部包埋光纤传感器系统对材料/结构的长期完整性的影响。尽管目前的研究尚未发现不良后果,但不得不考虑对疲劳度和压应力性能的潜在影响。
 
F. 稳定性和可靠性。
 
G. 内部包埋光纤传感器的维修问题。
 
3、光纤传感器系统的应用
 
目前光纤传感技术的应用研究主要有四大类:光(纤)层析成像技术(OCT,OPT)、智能材料(SMART MATERIALS)、光纤陀螺与惯导系统(IFOG,IMIU)和常规工业工程传感器。
 
①光层析成像技术:根据不同的原理和应用场合,可将光纤层析技术分为光相干层析成像分析(OCT)和光过程层析成像分析技术(OPT)。OCT主要应用于生物、医学、化学分析等领域,如视网膜扫描、胃肠内视和用于实现彩色多普勒(CDOCT)血流成像等。OPT则面向工业工程一油井、管线等场所,高精度地解决流体的过程测量问题。由于OPT具有适用于狭小的或不规则的空间、安全性高、测量区域不受电磁干扰以及可组成测量网络的多项长处,为工业过程的安全测量提供了一种优良的手段。
 
②智能材料:智能材料是指将敏感元件嵌入被测构件机体和材料中,从而在构件或材料常规工作的同时实现对其安全运转、故障等的实时监控。其关键问题是光纤和电导线与多种材料的有效结合。智能材料作为桥梁、大坝等混凝土大型建筑的监测系统已在国外多处工程中通过安装测试并付诸应用。此外,智能材料在航空航天领域的应用也日趋广泛,尤其是采用光纤光栅和光纤分布式应力、温度测量系统进行恶劣环境条件一高温、变形的多参量监测取得了明显的效果。
 
③光纤陀螺与惯导系统:光纤陀螺(I-FOG)及惯导系统历经20多年的发展,目前己进入实用阶段。上世纪9O年代,中级(I-FOG)采用了消偏结构、3轴I-FOG、EDFA光源等新型光纤器件和技术,实现了成本降低、体积减小和性能提高目的,并率先在航天及军事领域获得应用。目前国际上有些高性能光纤陀螺的漂移指标己达到0.001°/hr,许多产品已经投入民用飞机和汽车工业。
 
④常规工业工程传感器:传统的工业工程类传感器包括应用光纤的电光和磁光效应进行测量的电力工业用大电压、电流传感器。在许多特殊场合,如核工业、化工和石油钻探中都应用了监测传感系统。光纤传感器系统正日益走向成熟,并逐步融入日常的生产和生活之中。
 
表2:用光纤传感器检测的参数及检测技术类型
参数
光纤传感器检测技术
应变
拉曼光谱、干涉测量法(麦克森、Fabry-Perot)、强度、偏振、Bragg光栅
温度
荧光、干涉测量法、Bragg光栅、Brillouin散射
流量
多普勒效应
压力
干涉测量法
化学
红外光谱、拉曼光谱
来源:G.F.Fernando, D.J.Webb, etc.. Optical-Fiber Sensors. MRS BULLETIN/MAY 2002. p360。
 
4、光纤传感器的市场
 
光纤传感器首先在军事领域发展起来。近年来,民用光纤传感器的应用日见增多,主要用于化学传感器(特别是用在石油化工业)、运输业用、建筑检测及生物医学的相关产品市场。其中光纤压力传感器市场已经初具雏形。表3为北美光纤压力传感器市场及未来成长趋势。1999年北美压力光纤压力传感器市场值合计为1440万美元,至2006年时将超过2千万美元,成长率更达高6.3%,是个前景看好的明星市场。
 
表3:2000-2006年光纤压力传感器北美市场统计
年份
数量(千)
市场值(百万美元)
市场增长率(%)
2000
27.4
15.3
5.7
2003
33.3
18.2
6.2
2006
40.5
21.9
6.3
来源:Frost & Sullivan, 2001年
 
表4为2000~2006年北美光纤压力传感器在应用市场所占的比例。其中以工业应用的比重最高,2000年时占有34.8%的市场,2006年将减少为33%,应用在研究或测试的市场值在2000年占有29.9%的市场,到2006年增加为31.6%,应用于医疗的市场值比重则将自2000年的27.2%减少到2006年的25.8%。
 
表4:2000~2006年北美光行动传感器使用者业别市场比重统计(单位:百分比)
年份
工业
医疗
研究领域
其它
2000
34.8
27.2
29.9
8.1
2003
33.9
26.5
30.7
8.9
2006
33.0
25.8
31.6
9.7
资料来源:Frost & Sullivan, 2001年
 
预计光纤传感器的诸多优点将吸引未来更多的研究性投入。其技术的趋于成熟,使光纤传感器的应用更加多样,特别在激光光源与单模联结器等组件成本下降、智能化技术更加进步,及全球制造设备自动化等趋势下,光纤传感器在未来产业市场中将更有举足轻重的地位。
 
我国的光纤传感器研究大多数集中于大专院校和科研单位,仍然未完成由实验室向产品化的过渡。其中比较成熟的技术包括:清华大学光纤传感中心与总后合作研制开发的光纤油罐液位与温度测量系统,已经安装运行数年;北京航空航天大学与总装合作研制的光纤陀螺系统,目前指标为0.2°/hr;中国计量学院研制的分布式光纤传感系统,已有产品报道;华中理工大学与广东某公司联合研制的强电压、大电流传感系统。此外,在广东、深圳等地,还建立了许多光纤无源器件生产厂家。由于光纤传感器未能跨越产品化的门槛,并未象光纤通信产业那样成指数型增长,许多与我们日常生活密切相关的传感器产品(如交通管理、警报装置等)和大量的测试仪器依然依赖于进口,亟待发展的空间非常广阔。
 
参考文献:
1. 光纤传感器的今日与发展. 廖延彪, 黎敏.  传感器世界.2004,10(2).-6-12

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